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    變頻調速器在風機上的應用

    文章出處: 人氣:發表時間:2016-08-31 14:49

    風機設備在工礦企業中應用廣泛,諸如鍋爐燃燒系統、通風系統和烘干系統等。傳統的風機控制是全速運轉,即不論生產工藝的需求大小,風機都提供固定數值的風量,而生產工藝往往需要對爐膛壓力、風速、風量及溫度等指標進行控制和調節,最常用的方法則是調節風門或擋板開度的大小來調整受控對象,這樣,就使得能量從風門、擋板的節流中損失掉了。統計資料顯示,在工業生產中,風機的風門、擋板及其相關設備的節流損失以及維護、維修費用占到生產成本的7% ~25% 。這不僅造成大量的能源浪費和設備損耗,而且控制精度也受到限制,直接影響產品質量和生產效率。變頻調速是上世紀80年代初發展起來的新技術,具有易操作、免維護、控制精度高等優點。普通電動機采用變頻調速器技術后,在其拖動負載無須任何改動的情況下,就可以按照生產工藝要求調整轉速。因此,風機設備完全可以用變頻器驅動的方案取代風門、擋板控制方案,從而降低電機功耗,達到系統高效運行的目的。

    變頻器調速器應用在風機上

    1 風機變頻調速驅動機理
    1.1 變頻調速原理
    變頻器是基于交一直一交電源變換原理,集電力、電子和計算機控制等技術于一身的綜合性電氣產品。變頻器可根據控制對象的需要輸出頻率連續可調的交流電壓。
    由電機知識知道,電機轉速與電源頻率成正比關系:
    n=6of(1一s)/p ①
    式中:n為轉速;廠為輸入交流電頻率;s為電機轉差率;
    P為電機磁極對數。
    用變頻器輸出頻率可調的交流電壓作為風機的電源電壓,就可以方便地改變風機的轉速。

    1.2 風機負載特性
    風機的機械特性具有二次方律特征,即轉矩與轉速的二次方成正比例關系。在低速時,由于流體的流速低,使得負載的轉矩很??;隨著電動機轉速的增加,流速加快,負載轉矩和功率就越來越大。負載轉矩 和轉速n 之間的關系可用下式表示:
    = +K ②
    根據負載的機械功率P 和轉矩 、轉速n 之間的關系,有
    = ③
    則功率P 和轉速n 之間的關系為
    P£=P0+ { ④
    ②③④ 式中:P 、TL分別為電動機軸上的功率損耗和轉
    矩損耗;K 、K 分別為二次方律負載的轉矩常數和功率常數。
    圖l為二次方律負載的機械特性和功率特性曲線
    口1000

    500

    /\
    0 0 4 22.7 45
    rL N ·m】
    (a) 機械特性
    rL W
    (b)功率特性
    圖l 二次方律負載的機械特性和功率特性可以看出,當被控對象所需風量減小時,采用變頻器降低風機的轉速n ,會使電動機的功耗大大降低。

    二次方律負載的機械特性和功率特性

    2 風機變頻調速系統設計

    2.1 風機容量選擇
    風機容量的選擇主要依據被控對象對流量或壓力的需求,可查閱相關的設計手冊。如果是對使用中的風機進行變頻調速技術改造,風機是現成的。

    2.2 變頻器的容量選擇
    風機在某一轉速下運行時,其阻轉矩一般不會發生變化,只要轉速不超過額定值,電動機也不會過載,一般變頻器在出廠標注的額定容量都具有一定的余量,所以選擇變頻器容量與所驅動的電動機容量相同即可。若考慮更大的余量,也可以選擇比電動機容量大一個級別的變頻器,但價格要高出不少。

    2.3 變頻器的運行控制方式選擇
    風機采用變頻調速控制后,操作人員可以通過調節安裝在工作臺上的按鈕或電位器調節風機的轉速,操作十分方便。變頻器運行控制方式的選擇,可依據風機在低速運行時,阻轉矩很小,不存在低頻時帶不動負載的問題,故采用V/F控制方式即可。從節能的角度考慮,V/F線可選最低的。目前,許多生產廠家都生產有廉價的風機專用變頻器,可以選用。
    為什么V/F線可選得最低呢?現說明如下:如圖2所示,曲線0是風機二次方律機械特性曲線,曲線1為電動機在V/F控制方式下轉矩補償為0時的有效負載線。當轉速為n 時,對應于曲線0的負載轉矩為 ,對應于曲線1的有效轉矩為 。因此,在低頻運行時,電動機的轉矩與負載轉矩相比,具有較大的余量。為了節能,變頻器設置了若干低減V/F線,其有效轉矩線如圖2中的曲線2和曲線3所示。D 7’L。

    風機的機械特性和有效負載線

                                                                                                                                 圖2風機的機械特性和有效負載線
    在選擇低減V/F線時,有時會發生難以起動的問題。如圖2中的曲線0和曲線3相交于s點,在s點以下,電動機是難以起動的。為此,可采取以下措施:
    (1)選擇另一低減V/F線,例如曲線2;
    (2)適當加大起動頻率。
    在設置變頻器的參數時,一定要看清變頻器說明書上注明的V/F曲線在出廠時默認的補償量,一般變頻器出廠時設置為轉矩補償V/F曲線,即頻率 =0時,補償電壓u 為一定值,以適應低速時需要較大轉矩的負載。但這種設置不適宜風機負載,因為風機低速時阻轉矩很小,即使不補償,電動機輸出的電磁轉矩也足以帶動負載。為了節能,風機應采用負補償的V/F曲線,這種曲線是在低速時減少電壓u ,因此,也叫減V/F曲線。如果用戶對變頻器出廠時設置的轉矩補償V/F曲線不加改變,就直接接上風機運行,節能效果就比較差了,甚至在個別情況下,可能出現低頻運行時因勵磁電流過大而跳閘的現象。當然,若變頻器具有“自動節能”的功能設置,直接選取即可。

    2.4 變頻器的參數預置
    (1)上限頻率
    因為風機的機械特性具有二次方律特性,所以,當轉速超過額定轉速時,阻轉矩將增大很多,容易使電動機和變頻器處于過載狀態。因此,上限頻率^ 不應超過額定頻率 。
    (2)下限頻率
    從特性或工況來說,風機對下限頻率.^.沒有要求,但轉速太低時,風量太小,在多數情況下無實際意義。一般可預置為.^.≥20Hz。
    (3)加、減速時間
    風機的慣性很大,加速時間過短,容易產生過電流;減速時間短,容易引起過電壓。一般風機啟動和停止的次數很少,啟動時間和停止時間不會影響正常生產。所以加減速時間可以設置得長些,具體時間可根據風機的容量大小而定。通常是風機容量越大,加、減速時間設置越長
    (4)加、減速方式
    風機在低速時阻轉矩很小,隨著轉速的升高,阻轉矩增大得很快;反之,在停機開始時,由于慣性的原因,轉速下降較慢。所以,加、減速方式以半s方式比較適宜。
    (5)回避頻率
    風機在較高速運行時,由于阻轉矩較大,容易在某一轉速下發生機械諧振。遇到機械諧振時,極易造成機械事故或設備損壞,因此,必須考慮設置回避頻率??刹捎迷囼灥姆椒ㄟM行預置,即反復緩慢地在設定的頻率范圍內進行調節,觀察產生諧振的頻率范圍,然后進行回避頻率設置。
    (6)啟動前的直流制動
    為保證電動機在零速狀態下啟動,許多變頻器具有“啟動前的直流制動”功能設置。這是因為風機在停機后,其風葉常常因自然風處于反饋狀態,這時讓風機啟動,則電動機處于反接制動狀態,會產生很大的沖擊電流。為避免此類情況出現,要進行“啟動前的直流制動”功能設置。
    2.5 風機變頻調速系統的電路原理圖
    一般情況下,風機采用正轉控制,所以線路比較簡單。但考慮到變頻器一旦發生故障,也不能讓風機停止工作,應具有將風機由變頻運行切換為工頻運行的控制。圖3所示為風機變頻調速系統的電路原理圖。

    風機變頻調速系統的電路原理圖

    2.5.1 變頻器的接線與功能代碼
    圖3中所用變頻器為三菱FR—A540系列,輸入端R、s、T通過控制電器接至電源,輸出端u、V、w 通過電器接至電動機,使用時絕對不允許接反??刂贫俗覵TF為正轉啟動端,為保證電動機單向正轉運行,將STF與公共端sD相接。端子RH和RM為變頻器的升降速控制端,控制其與公共端SD的通斷,可以實現升降速。

    變頻器的功能預置:
    Pr.79=1使變頻器處于外部運行模式;
    Pr.59:1使“遙控方式”有效,即用控制端子的通斷實現
    變頻器的升降速;
    Pr.182:2使RH端具有升速功能;
    Pr.181:1使RM端具有降速功能;
    RH與公共端SD接通時,頻率上升;RH與公共端SD斷開時,頻率保持;
    RM與公共端sD接通時,頻率下降;RM與公共端sD斷開時,頻率保持。
    這里我們使用s.和 兩個按鈕分別與RH和RM相接,按下按鈕s.使RH與公共端sD接通,控制頻率上升;松開按鈕S.,RH與公共端SD斷開,頻率保持。同樣,按下按鈕s,使RM與公共端sD接通,控制頻率下降;松開按鈕s,,RM與公共端sD斷開,頻率保持。AM為模擬信號輸出端,可在AM和模擬信號公共端兩端之間跨接頻率表,用于監視變頻器的運行頻率。相應的變頻器功能代碼預置:
    Pr.158=1使AM端子輸出頻率信號;
    Pr.55=50使頻率表的量程為0—50Hz。

    2.5.2 主電路
    三相工頻電源通過斷路器Q接入,接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端R、s、T,接觸器KM2用于將變頻器的輸出端u、v、w 接至電動機,KM 用于將工頻電源直接接至電動機。注意接觸器KM2和KM 絕對不允許同時接通,否則會造成損壞變頻器的后果。因此,KM2和KM 之間必須有可靠的互鎖。熱繼電器KR用于工頻運行時的過載保護。

    2.5.3 控制電路
    為便于對風機進行“變頻運行”和“工頻運行”的切換,控制電路采用三位開關SA進行選擇。當sA合至“工頻運行”方式時,按下起動按鈕sB2,中間繼電器KA.動作并自鎖,進而使接觸器KM3動作,電動機進入工頻運行狀態。按下停止按鈕sB。,中間繼電器KAl和接觸器KM1均斷電,電動機停止運行。當sA合至“變頻運行”方式時,按下起動按鈕sB2,中間繼電器KA.動作并自鎖,進而使接觸器KM2動作,將電動機接至變頻器的輸出端。KM2動作后使KM。也動作,將工頻電源接至變頻器的輸入端,并允許電動機啟動。同時使連接到接觸器KM 線圈控制電路中的KM2的常閉觸點斷開,確保KM 不能接通。按下按鈕sB ,中間繼電器KA2動作,電動機開始加速,進入“變頻運行”狀態。KA2動作后,停止按鈕sB。失去作用,以防止直接通過切斷變頻器電源使電動機停機。在變頻運行中,如果變頻器因故障而跳閘,則變頻器的“B—c”保護觸點斷開,接觸器KM。和KM2線圈均斷電,其主觸點切斷了變頻器與電源之間的連接。同時“c—A”觸點閉合,接通報警揚聲器HA和報警燈HL進行聲光報警。同時,時間繼電器KT得電,其觸點延時一段時間后閉合,使KM3動作,電動機進入工頻運行狀態。操作人員發現報警后,應及時將選擇開關sA旋至“工頻運行”位,這時,聲光報警停止,并使時間繼電器斷電。

    變頻器在風機上的節能技術

    3 節能計算
    對于風機設備采用變頻調速后的節能效果,可根據已知風機在不同控制方式下的流量與負載關系曲線及現場運行的負荷變化情況進行計算。以一臺工業鍋爐使用的30 kW鼓風機為例。運行工況以24小時連續運行,其中每天l0小時運行在9o%負荷(頻率按46Hz計算,擋板調節時電機功耗按98%計算),l4小時運行在50% 負荷(頻率按20Hz計算,擋板調節時電機功耗按70%計算),全年運行時間在300天為計算依據,則變頻調速時每年的節電量為
    WI=30×10×[1一(46/50) ]×300:19918kW·h
    W2=30 x 14 x[1一(20/50) ]x 300=l17936kW·h
    W b= W l+ W2: l99l8+ ll7936= l37854 kW ·h

    擋板開度時的節電量為
    WI:30×(1—98% )×10×300:1800kW·h
    W2=30×(1—70%)×14×300=378O0kW·h
    Wd:W l+ W 2= 1800+37800=39600 kW ·h
    相比較節電量為
    W = W b— W d= l37854—39600=98254 kW ·h
    每度電按0.6元計算,則采用變頻調速每年可節約電費58952元。一般來說,變頻調速技術用于風機設備改造的投資,可以在一年左右的生產中全部節省回來。
    4 結束語
    風機設備采用變頻調速器技術是一種理想的調速控制方式,不僅具有顯著的節電效果,而且方便了操作,提高了設備效率,減少了設備維護、維修費用,較好地滿足了生產工藝要求,經濟效益十分明顯。因此,《中華人民共和國節約能源法》第39條已把它列為重點技術推廣項目。

    此文關鍵字:變頻器調速器
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