本文介紹了變頻器在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)用中的節(jié)能原理、應(yīng)用方法及變頻器選型與變頻器相關(guān)的保護裝置及接至電機導(dǎo)線的選擇。
一、引言
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它的主電路都采用交-直-交電路。
從理論上我們可知，電機的轉(zhuǎn)速 N 與供電頻率 f 有以下關(guān)系：
n = 60f（1 - s）/p （1）
其中： p--電機極對數(shù) S--轉(zhuǎn)差率 由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，如果不改變電機的極對數(shù)，只要改變頻率f即可改變電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz范圍內(nèi)變化時，電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。 變頻器就是通過改變電機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。在工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用日益廣泛。隨著變頻器的造價日趨降低，利用變頻器驅(qū)動異步電機所構(gòu)成的調(diào)速控制系統(tǒng)，越來越發(fā)揮出巨大的作用。
二、變頻器在鍋爐控制系統(tǒng)中的主要目的
變頻器在工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)中，主要用于鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、給水系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)。其主要目的是在工業(yè)鍋爐滿足生產(chǎn)要求的前提下節(jié)約能源。而鼓、引風(fēng)機、給水泵都是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，根據(jù)流體力學(xué)原理，平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：
流量∝轉(zhuǎn)速，壓力∝轉(zhuǎn)矩∝轉(zhuǎn)速的平方，功率∝流量*轉(zhuǎn)矩∝轉(zhuǎn)速的立方。
即：風(fēng)機或水泵流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。
因而，理想情況下有如下關(guān)系：
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流量（%）
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轉(zhuǎn)速（%）
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壓力（揚程）（%）
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功率（%）
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100
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100
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100
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100
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90
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90
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81
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72.9
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80
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80
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64
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51.2
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70
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70
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49
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34.3
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60
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60
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36
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21.6
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50
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50
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25
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12.5
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由上述關(guān)系可見，當(dāng)需求流量下降時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能源。例如：當(dāng)流量需求減半時，如通過變頻調(diào)速，則理論上講，僅需額度功率的12.5%，即可節(jié)約87.5%的能源。如采用轉(zhuǎn)統(tǒng)的擋板方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，雖然也可相應(yīng)降低能源消耗，但節(jié)約效果與變頻相比，則是天壤之別。
三、變頻器在鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)上的應(yīng)用
1、爐排電機選用的變頻器與鼓、引風(fēng)機選用的變頻器型號不同。
爐排變頻選用通用型即選用ACI G11系列變頻器；鼓、引風(fēng)機變頻選用節(jié)能型即ACI P11系列變頻器。
2、鼓、引風(fēng)機控制
鼓、引風(fēng)機采用變頻控制，這是鍋爐系統(tǒng)中變頻應(yīng)用的主要部分，既是節(jié)電最顯著的部分，也是變頻投資最大的部分?？刂七^程：
①.引風(fēng)控制：通過爐膛上的負(fù)壓變送器將爐膛壓力標(biāo)準(zhǔn)電信號送入引風(fēng)變頻器PID控制器的反饋通道，經(jīng)處理后與設(shè)定爐膛負(fù)壓比較，經(jīng)過PID控制器控制引風(fēng)變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使?fàn)t內(nèi)負(fù)壓穩(wěn)定在設(shè)定值，從而達到自動跟蹤鼓風(fēng)保持爐膛負(fù)壓恒定目的。引風(fēng)電機速度隨著爐膛負(fù)壓值的變化而變化，即保證鍋爐燃燒部分的自動運行。
②.鼓風(fēng)控制：通過蒸汽管道上的壓力變送器將所需蒸汽壓力信號送入鼓風(fēng)變頻器PID控制器的反饋通道，經(jīng)處理后與設(shè)定蒸汽壓力值比較，經(jīng)過PID控制器控制鼓風(fēng)變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使蒸汽管道上壓力基本穩(wěn)定在設(shè)定值，使官網(wǎng)蒸汽壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。
③.在變頻器改造之前，鍋爐控制鼓、引風(fēng)機風(fēng)量是靠人工根據(jù)蒸汽壓力的大小來操作風(fēng)道擋板的開度控制風(fēng)機風(fēng)量，蒸汽壓力低于需要的壓力時，開大擋風(fēng)板，蒸汽壓力高于需要的壓力時，關(guān)小擋風(fēng)板。因此電機全速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)量不能全部使用，采用擋板控制風(fēng)量會造成約30%的截流損耗。使用變頻器可根據(jù)生產(chǎn)需求任意調(diào)整電機速度，使輸出風(fēng)量可以調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)工效并且節(jié)能降耗。
變頻器采用ACI DLT-P11系列?？刂葡到y(tǒng)的起動方式為外部遠程人工控制。
(1)調(diào)速方式：
A.根據(jù)生產(chǎn)需要的壓力，設(shè)定鼓風(fēng)機變頻器PID的給定壓力，鼓風(fēng)機的速度由PID根據(jù)壓力的變化自動調(diào)節(jié)；引風(fēng)機速度根據(jù)爐膛負(fù)壓設(shè)定值與實際值比較由變頻器內(nèi)置PID控制，確保爐膛負(fù)壓為設(shè)定值；
B.變頻器通過端子切換為自動PID運行方式。
C.系統(tǒng)還可實現(xiàn)全開環(huán)運行，通過控制柜或現(xiàn)場操作箱上的啟停按鈕和電位器實現(xiàn)人工控制和調(diào)速。
(2)系統(tǒng)的主要聯(lián)鎖：
A.鼓風(fēng)機運行條件：只有當(dāng)引風(fēng)機投入運行后，鼓風(fēng)機才允許啟動運行。
B.變頻和工頻連鎖。變頻運行與工頻運行聯(lián)鎖。
C.當(dāng)變頻系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障時發(fā)出聲、光報警信號，提醒值班人員適時處理。
(3)系統(tǒng)構(gòu)成： 控制原理圖如下圖所示
這主要是由于鼓、引風(fēng)機調(diào)節(jié)的幅度相對也較大，電機容量也較大。變頻器在鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用于鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、給水系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)。其最主要的目的在于節(jié)約能源。采用變頻調(diào)速方法節(jié)能的原理，是基于流量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。這些關(guān)系如公式：P2（n2/n1)3*P1。在選擇鼓、引風(fēng)機變頻器時，要考慮在安裝變頻器后可以適當(dāng)提高頻率（大于50Hz）即提高運行轉(zhuǎn)速，以保證鍋爐系統(tǒng)有足夠的風(fēng)量，否則可能造成原系統(tǒng)大負(fù)荷時風(fēng)量夠用而變頻改造后大負(fù)荷時風(fēng)量不夠的尷尬局面。
（4）爐排變頻控制
爐排電機很小，因而采用變頻器控制的主要目的是穩(wěn)定運行，解決原控制系統(tǒng)控制爐排速度不穩(wěn)造成的原煤燃燒不充分、爐渣中還有相當(dāng)多的“紅碳”，原煤沒有得到充分利用。當(dāng)然相對節(jié)電率也很高只是絕對數(shù)值很小。爐排變頻控制的特殊性在于：
A.爐排由于經(jīng)常處于低速運行，所以電機散熱會出現(xiàn)問題，解決的方法是選用變頻專用電機。
B.由于低速運行時變頻器輸出電壓低，輸出電流大，因此變頻器必須選大一檔，否則，無法保證爐排電機在低速時穩(wěn)定運行。
4、給水系統(tǒng)恒壓給水
在鍋爐給水系統(tǒng)中，采用變頻控制，既能節(jié)約大量能源，又能穩(wěn)定給水系統(tǒng)的壓力，保障鍋爐系統(tǒng)的安全運行，具有非常大的實際意義，并且給水系統(tǒng)的電機相對鼓、引風(fēng)機而言容量較小，投資不大。因此，非常值得推廣采用。
給水系統(tǒng)變頻應(yīng)用的特殊性：鍋爐給水系統(tǒng)一般采用多臺電機，并聯(lián)母管式給水，沒有必要每臺電機都采用變頻。既經(jīng)濟又可靠的方法是：只有兩臺電機由變頻自動控制且這兩臺電機為一用一備方式工作。主要是利于電機檢修。其他給水電機仍采用常規(guī)控制方法，其原因有兩點：
5、在并聯(lián)母管式給水方案下，全自動控制給水方案不實用，無實際意義。主要原因是每臺水泵的單向止回閥泄露問題和更換問題。全自動控制給水時，單向止回閥前后的截止閥必須始終保持打開狀態(tài)，才能保證自動控制電機啟動后，水能夠自動流出。但隨著鍋爐負(fù)荷的增減，水泵電機不會全部運行。這樣，不運行的水泵電機，由于單向止回閥在水壓的作用下，極易發(fā)生泄露，造成水的回流及電機的反轉(zhuǎn)。而當(dāng)需要停止的水泵運行時，電機由反轉(zhuǎn)變?yōu)檎D(zhuǎn)的過程中，由于電機的超負(fù)荷大電流，必然造成控制電路超負(fù)荷跳閘。解決的方法是：采用半自動控制，設(shè)定給水壓力上、下限報警。上限報警時，通知操作人員關(guān)掉一臺水泵。下線報警時，通知操作人員啟動一臺水泵。而變頻控制的水泵則保證在可調(diào)范圍內(nèi)的恒壓給水。每臺水泵電機均采用變頻控制，投資太大，且由于上述原因，也沒有必要，并且不實用。
6、 沖渣泵變頻控制
沖渣泵采用變頻控制，其目的有兩點：節(jié)能，節(jié)水。
方法是采用高、低速分時控制。高速運行一段時間，然后，低速運行一段時間，自動交替運行。高速運行時把爐渣沖走，低速運行時保證爐渣滅火。
四、變頻器在工業(yè)鍋爐應(yīng)用中的優(yōu)點:
1、實現(xiàn)了自動控制，揭開了鍋爐運行自動化的新篇章。使難以控制的燃燒過程實現(xiàn)了自動化，減少勞動強度。在網(wǎng)絡(luò)化日益普及的今天，與普通的點對點硬線連接方式而言，通過高速通訊連接的變頻器系統(tǒng)可以最大程度上降低系統(tǒng)維護時間、提高生產(chǎn)效率、減少運行成本。
2、控制電機的啟動電流。當(dāng)電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7到9倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的內(nèi)部應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調(diào)速可以實現(xiàn)軟啟動。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立， 變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動負(fù)載進行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應(yīng)延長。
3、降低電力線路電壓波動。在電機工頻啟動時，電流劇增的同時供電電網(wǎng)的電壓也會大幅度波動，電壓下降的幅度將取決于啟動電機的功率大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會導(dǎo)致同一供電網(wǎng)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，如傳感器、接近開關(guān)和接觸器等均會動作出錯。而采用變頻調(diào)速后，由于實現(xiàn)了軟啟動，能最大程度上消除電壓下降。
4、可對風(fēng)機的風(fēng)量作平滑的無級調(diào)速，使風(fēng)機工作在最佳工況點，工況曲線更符合實際要求，既提高了風(fēng)機效率，又避免了“喘振”現(xiàn)象。穩(wěn)定了爐膛負(fù)壓，滿足工作環(huán)境的要求。
5、低速運行可以減少磨損，降低噪音，有利于延長電機和風(fēng)機的使用壽命。
6、節(jié)能效果顯著。由于最終的能耗是與電機的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后，大大節(jié)約了電能，投資回報更快，用戶也愿意接受。
五、變頻器實際應(yīng)用中存在的問題
1、變頻器功率的選擇
選擇變頻器時，要充分考慮原系統(tǒng)電機裕量問題，否則原系統(tǒng)電機運行正常，使用變頻控制后，發(fā)現(xiàn)變頻電機容量不夠，再更換大一檔變頻，必然造成不必要的損失與麻煩。
2、遠距離變頻控制的可靠性問題
變頻器的控制端子，均為弱電直流信號或接點信號，當(dāng)采用遠距離控制時，應(yīng)充分考慮線路的抗干擾問題和損耗問題。尤其是當(dāng)采用開關(guān)量進行加、減速控制時，要使節(jié)點輸出盡可能與變頻安置在一起，以防無源節(jié)點的線路阻抗和干擾造成控制不靈敏或失效。
3、設(shè)計選型中的其它問題
（1）空氣斷路器的選擇
由于變頻器具有軟啟動、無沖擊的特性，所以空氣開關(guān)可以按變頻器容量選擇，不必考慮電機啟動時的電流沖擊。
（2）電機熱保護的選擇
由于變頻器控制單臺電機，不需要選擇熱保護繼電器，直接采用變頻器的電子熱保護即可。但若同時控制多臺電機，則每臺電機的熱保護要單獨計算及選擇。選擇時，要根據(jù)電機低速運行時的電流情況選擇，而不是根據(jù)電機額定電流選擇。此電流比電機額定電流大得多。
（3）電流、電壓的檢測問題
由于變頻器輸出端的電流、電壓隨頻率發(fā)生變化，所以、對變頻設(shè)備的電流、電壓檢測均應(yīng)在變頻器的進線端進行。即電流互感器、電壓表均應(yīng)設(shè)計在進線端。即空氣斷路器后，變頻器前。
（4）導(dǎo)線問題
變頻器進線可以適當(dāng)減少裕量。因為變頻器節(jié)電的特征，即為減少進線電流。但變頻器的出線要適當(dāng)加大裕量，尤其是長期低速運行的變頻器設(shè)備，其輸出電流是相當(dāng)大的。
六、ACI變頻器發(fā)電廠風(fēng)機中的應(yīng)用：
廣東廣惠能源有限公司（生活垃圾發(fā)電廠）是利用生活垃圾、工業(yè)垃圾發(fā)電的節(jié)能環(huán)保企業(yè)，設(shè)計規(guī)模為日處理垃圾600噸，發(fā)電機裝機容量為2X6WM。垃圾焚燒發(fā)電工程于2007年12月正式與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。焚燒爐風(fēng)機、電控系統(tǒng)全部采用西門子電機、變頻器、接觸器（工變頻切換），使用幾年后，西門子變頻器先后有多臺損壞，因修復(fù)周期長、修理費用高，廣東廣惠能源有限公司領(lǐng)導(dǎo)決定采用國產(chǎn)變頻器代替西門子變頻器，經(jīng)過比較分析，先后選用了幾款國產(chǎn)變頻器，在使用幾個月后變頻器都有過炸機現(xiàn)象存在，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。
經(jīng)過考察，廣東廣惠能源有限公司決定使用ACI G11通用變頻器。在安裝現(xiàn)場，我公司技術(shù)人員經(jīng)過跟班后仔細(xì)分析，認(rèn)為主要原因是該發(fā)電廠在深夜用電負(fù)荷很低時電網(wǎng)電壓非常高，有時高達450V以上，加上深夜垃圾焚燒量少，所需的風(fēng)量減少，風(fēng)機需要從高速降成低速，由于風(fēng)機是大慣性負(fù)載，在減速過程中會將機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給變頻器，使得變頻器母線電壓升高達到過壓保護值附近；如果變頻器內(nèi)部積有導(dǎo)電粉塵或者濕度過大而使變頻器絕緣等級降低，變頻器就可能由于內(nèi)部絕緣擊穿而損壞。
在分析變頻器損壞原因后，我們采用了如下措施：
①加強電氣絕緣，從硬件上提高耐壓等級；
②調(diào)整直流母線電壓顯示值，使變頻器顯示值大于母線電壓值約5%（如實際值為540V，顯示值約為567V），目的是降低失速過壓點（軟件限制最小為120%使失速過壓點在115%時起作用）；
③調(diào)整相關(guān)參數(shù)，降低過壓失速點從默認(rèn)值140%（即失速電壓值為750V，接近過壓保護值780V，如果母線電壓長期在750V附近若此時變頻器絕緣降低則可能絕緣擊穿而使變頻器損壞）降為120%（645V），使變頻器在母線電壓顯示值達到645V時風(fēng)機就不能減速，防止風(fēng)機電機工作在發(fā)電狀態(tài)而使變頻器母線電壓進一步升高；
④設(shè)定變頻器停機方式為自由停車，防止停機時變頻器過壓損壞。經(jīng)過采用上述措施后，我公司生產(chǎn)的1臺P11-220KW的鼓風(fēng)機、1臺P11-315KW的引風(fēng)機從2010年3月使用到現(xiàn)在一直正常運行，沒有出現(xiàn)故障停機現(xiàn)象，穩(wěn)定了生產(chǎn)，同時節(jié)約了大量電能。
7. 結(jié)束語
工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速實現(xiàn)鍋爐的控制，穩(wěn)定性和可靠性高，調(diào)節(jié)特性好。由于變頻器可以非常平滑穩(wěn)定地調(diào)節(jié)，運行人員可靈活地調(diào)控燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)，提高了鍋爐效率，減少工作強度。變頻調(diào)速使電機運行明顯改善，維護量明顯減少，同時大大減少了機械系統(tǒng)變速機構(gòu)和控制機構(gòu)。使系統(tǒng)更加方便操作，設(shè)備工作效率明顯提高，系統(tǒng)采用過流、過壓、瞬時斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護，避免了因此造成電機燒損而影響生產(chǎn)所帶來的直接和間接經(jīng)濟損失，更為重要是它的節(jié)能效果非常明顯，經(jīng)濟效益非?？捎^。
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