一、概述
在工礦企業(yè)中大量地使用著風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)、壓縮機(jī)等,這些機(jī)械一般都以交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中大部分電動(dòng)機(jī)均不是工作在額定功率,而經(jīng)常只有額定功率的50%～70%,甚至更低一些(20%～70%)。但電動(dòng)機(jī)大部分處在恒速運(yùn)行狀態(tài),并以檔板、閥門或放空回流的辦法進(jìn)行流量或壓力的調(diào)節(jié),從而白白損失大量的電能,功率越大的風(fēng)機(jī)、水泵,損失的電能越多。
對(duì)于水泵和風(fēng)機(jī),表達(dá)其特性的參數(shù)有:流量(風(fēng)量)Q,揚(yáng)程(風(fēng)壓)H,功率P等。當(dāng)轉(zhuǎn)速從n1變?yōu)閚2時(shí),Q,H,P大致變化關(guān)系為:
Q2=Q1(n2 n1)
H2=H1(n2 n1)2
P2=P1(n2 n1)3
即:流量與轉(zhuǎn)速成正比,揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
如水泵的流量或風(fēng)機(jī)的風(fēng)量等調(diào)節(jié),只需調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn),而同時(shí)將大大降低電機(jī)的消耗功率,節(jié)約了電能。
根據(jù)電工學(xué)的基本原理,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n由以下公式表示:
圖一基本控制原理流程圖
式中:n－－-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
f1－－-供電電源頻率
S－－-轉(zhuǎn)差率
P－－-電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)
因此要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,只要改變供電電源的頻率或者改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)或者轉(zhuǎn)差率就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
改變極對(duì)數(shù)進(jìn)行調(diào)速從理論上講效率最高,因?yàn)樗鼪]有額外的損耗,但對(duì)電動(dòng)機(jī)的制造要求高,機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且屬于有級(jí)調(diào)速,不靈活,因此較少使用。改變轉(zhuǎn)差率,以往曾用過滑差電機(jī),但由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率較高,維修困難,現(xiàn)也很少采用。改變頻率進(jìn)行調(diào)速,可以達(dá)到無級(jí)調(diào)速,在二十世紀(jì)八十年代初期在我國采用還不多,原因是變頻裝置本身的限制,后來隨著微電子技術(shù)及IGBT功率器件的迅速發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展,按目前技術(shù)的水平,不但調(diào)速精度達(dá)到了很高,而且損耗可以減少到最小(變頻器效率可高達(dá)99%)。現(xiàn)在變頻調(diào)速可以應(yīng)用到各種規(guī)格的電動(dòng)機(jī)中。
二、變頻調(diào)速器的應(yīng)用
變頻調(diào)速器是一種高效節(jié)能調(diào)速裝置,它以DSP或微處理器為核心,為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行多種電氣控制和報(bào)警功能,保障設(shè)備安全,延長(zhǎng)使用壽命。特別是它可以根據(jù)設(shè)定信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)控制,節(jié)電效果顯著,可有力地促進(jìn)企業(yè)節(jié)能工作的開展,因而在電機(jī)供電控制中得到廣泛應(yīng)用。下面以我廠催化裝置中的輕柴油泵為例簡(jiǎn)單說明控制調(diào)速策略。
1、控制流程簡(jiǎn)介
輕柴油泵采用一開一備的配置方式,共有P1205AB兩臺(tái)泵。在正常情況下,一臺(tái)運(yùn)行另一臺(tái)備用,主、備泵的切換通過人工方式手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在供電控制方式上,P1205A實(shí)行常規(guī)電氣控制,主電源直接供給電動(dòng)機(jī),P1205B實(shí)行變頻調(diào)速控制,主電源經(jīng)過變頻后送給電機(jī)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)為中間產(chǎn)品罐液位,測(cè)量位號(hào)為L(zhǎng)T1206,PID調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)閥LV1206。用控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥開度使液位LT1206穩(wěn)定在給定值上,DCS上將原有的LC1206調(diào)節(jié)器組態(tài)位號(hào)改為L(zhǎng)C1206A,新增一個(gè)PID調(diào)節(jié)器位號(hào)LC1206B(其組態(tài)內(nèi)容與LC1206A一致),用LC1206B和變頻器INVERTER控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或用LC1206A控制調(diào)節(jié)閥的開度使流量穩(wěn)定在給定的值上。
2. 控制方案的實(shí)施
該流量在DCS中的控制原理如圖一所示。
控制過程如下:在正常情況下LC1206B調(diào)節(jié)回路輸出4-20mA調(diào)節(jié)信號(hào)到變頻器作為頻率設(shè)定信號(hào),變頻器按照給定信號(hào)輸出相應(yīng)頻率的電壓電源,從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)LC1206A調(diào)節(jié)回路保持在手動(dòng)方式,輸出鎖定在100%,控制泵出口調(diào)節(jié)閥處于全開位置,以便實(shí)現(xiàn)變頻器控制流量的目的。在DCS上,在相應(yīng)的流程圖上對(duì)應(yīng)P1205B位置組態(tài)了變頻器調(diào)速圖案,在變頻器運(yùn)行時(shí),其狀態(tài)顯示為綠色,當(dāng)變頻器處于非運(yùn)行狀態(tài)(包括變頻器故障和人為停機(jī))時(shí),其顏色為紅色。
當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或人為將其切除時(shí),流程圖上變頻器圖案出現(xiàn)紅色,工藝操作人員進(jìn)行人工切換泵,LC1205B切到手動(dòng)方式,LC1206A進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)輸出4-20mA信號(hào),控制調(diào)節(jié)閥LV1206的開度,P1205A電動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
3. 控制系統(tǒng)的組成
該控制系統(tǒng)包括工頻控制系統(tǒng)和變頻控制系統(tǒng)。工頻控制系統(tǒng)由DCS中組態(tài)的控制器LC1206A,調(diào)節(jié)閥LV1206,電動(dòng)機(jī),柴油泵P1205A和液位測(cè)量LT1206組成,變頻控制系統(tǒng)由DCS中組態(tài)的控制器LC1206B,變頻器,電動(dòng)機(jī),柴油泵P1205B和液位測(cè)量LT1206組成。兩個(gè)系統(tǒng)由手動(dòng)進(jìn)行切換,其控制系統(tǒng)方塊圖見圖二。
4. 變頻器的選型和主要參數(shù)設(shè)定
我們選用的變頻器是深圳艾默生電氣有限公司的EV2000系列變頻器,型號(hào)是EV2000-4T1100P,適配電機(jī)110KW。
電源輸入:三相380V,50HZ60HZ
輸入變動(dòng)容許值:電壓±20%;電壓失衡率<3%;頻率±5%。較進(jìn)口變頻器更能適合我國的電網(wǎng)情況。
輸出電壓:380V正弦波,頻率0-400HZ可調(diào)。
由于我廠是石油煉化企業(yè),變頻器安裝在防爆區(qū)以外,變頻器到機(jī)泵的距離較遠(yuǎn),一般都在一百多米以外,所以我們?cè)谂渲脮r(shí)增加了相應(yīng)的輸出電抗器。
為了保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行,變頻器的主要參數(shù)設(shè)定如下:
1)上限頻率F11設(shè)定為電動(dòng)機(jī)的額定頻率50HZ,下限頻率F12設(shè)定為5HZ。
2)V、F輸出特性中最高頻率F04及基本運(yùn)行頻率F05均設(shè)為電機(jī)額定值50HZ,額定輸出電壓設(shè)定380V。
3)V F曲線模式F07設(shè)定為1(因?yàn)槭秋L(fēng)機(jī)水泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載)。
4)運(yùn)行頻率控制設(shè)定方式F00設(shè)定為3,模擬設(shè)定2(CCI－－GND),用模擬電流 電壓端子輸入設(shè)定,范圍DC0(2)－－－－－－10V?(4－－-20mA,我們選擇電流輸入4-20mA,此時(shí)將控制板上的電壓 電流選擇插件CN10的跳線選擇1側(cè)。
5)運(yùn)行命令選擇F02設(shè)定為1,外部端子運(yùn)行控制有效,即用操作柱來啟動(dòng)變頻器。
6)停機(jī)方式F30設(shè)定為1,外部端子運(yùn)行控制有效,即用操作柱來啟動(dòng)變頻器。
7)停機(jī)方式F30設(shè)定為1,選擇自由運(yùn)行停止。
5. 投用效果
變頻調(diào)速器投用后,控制回路的穩(wěn)定性和可靠性比調(diào)節(jié)閥有明顯提高,控制偏差保持在±1%以內(nèi),被控參數(shù)波動(dòng)幅值較小。電機(jī)在變頻調(diào)速器的控制下保持中速運(yùn)行狀態(tài)。在電機(jī)啟動(dòng)、控制過程中實(shí)行延時(shí)斜升、斜降,并且有輸出短路、欠壓、過流、過載過熱等報(bào)警跳閘及在線故障診斷功能,保證其運(yùn)行安全可靠,降低故障率,減少了設(shè)備損耗,尤其顯著的是節(jié)能效果相當(dāng)明顯。在正常工況下,投用前后的電氣參數(shù)如下:
從表中可以看出,使用變頻器后功率節(jié)省38.72kw,按年運(yùn)行8000小時(shí)計(jì)算,每年可節(jié)省電能309760kwh,若按電價(jià)0.35元kwh計(jì)算,每年節(jié)約電費(fèi)10.8416萬元。不到一年可收回投資。
三、結(jié)束語
實(shí)際應(yīng)用證明,變頻器的使用可取得意想不到的效果,特別是企業(yè)正在為降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益而大量采用新技術(shù)的今天,變頻調(diào)速技術(shù)以其良好的投入產(chǎn)出比,將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。深圳艾默生電氣的變頻器是在消化各種變頻器的基礎(chǔ)上,根據(jù)我國電網(wǎng)波動(dòng)范圍較大的狀況開發(fā)的,其功能齊全,性能穩(wěn)定,到目前為止在我廠使用了12臺(tái)艾默生EV2000系列變頻器,功率在90KW-250KW,運(yùn)行一年多從未出現(xiàn)質(zhì)量問題。
