艾默生變頻器在液位自動控制中的應(yīng)用及其節(jié)能效果

摘要 ：
　　 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,為電動機(jī)運行多種電氣控制和報警功能,保障設(shè)備安全,延長使用壽命。特別是它可以根據(jù)設(shè)定信號調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)生產(chǎn)自動控制,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單說明控制調(diào)速策略。
　　
　　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機(jī)驅(qū)動。其中大部分電動機(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%)。但電動機(jī)大部分處在恒速運行狀態(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,揚程(風(fēng)壓)H,功率P等。當(dāng)轉(zhuǎn)速從n1變?yōu)閚2時,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)速就可以實現(xiàn),而同時將大大降低電機(jī)的消耗功率,節(jié)約了電能。
　　 根據(jù)電工學(xué)的基本原理,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n由以下公式表示:
　　
　　
　　式中:n---電動機(jī)的轉(zhuǎn)速
　　 f1---供電電源頻率
　　 S---轉(zhuǎn)差率
　　 P---電動機(jī)的極對數(shù)
　　 因此要改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,只要改變供電電源的頻率或者改變電動機(jī)的極對數(shù)或者轉(zhuǎn)差率就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
　　 改變極對數(shù)進(jìn)行調(diào)速從理論上講效率最高,因為它沒有額外的損耗,但對電動機(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,為電動機(jī)運行多種電氣控制和報警功能,保障設(shè)備安全,延長使用壽命。特別是它可以根據(jù)設(shè)定信號調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)生產(chǎn)自動控制,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單說明控制調(diào)速策略。
　　 1、控制流程簡介
　　 輕柴油泵采用一開一備的配置方式,共有P1205A/B兩臺泵。在正常情況下,一臺運行另一臺備用,主、備泵的切換通過人工方式手動實現(xiàn)。在供電控制方式上,P1205A實行常規(guī)電氣控制,主電源直接供給電動機(jī),P1205B實行變頻調(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,測量位號為LT1206,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)位號改為LC1206A,新增一個PID調(diào)節(jié)器位號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)信號到變頻器作為頻率設(shè)定信號,變頻器按照給定信號輸出相應(yīng)頻率的電壓電源,從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時LC1206A調(diào)節(jié)回路保持在手動方式,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)的流程圖上對應(yīng)P1205B位置組態(tài)了變頻器調(diào)速圖案,在變頻器運行時,其狀態(tài)顯示為綠色,當(dāng)變頻器處于非運行狀態(tài)(包括變頻器故障和人為停機(jī))時,其顏色為紅色。
　　 當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或人為將其切除時,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切到手動方式,LC1206A進(jìn)入自動狀態(tài)輸出4-20mA信號,控制調(diào)節(jié)閥LV1206的開度,P1205A電動機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運行。
　　 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,電動機(jī),柴油泵P1205A和液位測量LT1206組成,變頻控制系統(tǒng)由DCS中組態(tài)的控制器LC1206B,變頻器,電動機(jī),柴油泵P1205B和液位測量LT1206組成。兩個系統(tǒng)由手動進(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TD2000系列變頻器,型號是TD2000-4T1100P,適配電機(jī)110KW。
　　 電源輸入:三相380V,50HZ/60HZ
　　 輸入變動容許值: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,所以我們在配置時增加了相應(yīng)的輸出電抗器。
　　 為了保證電動機(jī)的可靠運行,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(因為是風(fēng)機(jī)水泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載)。
　　 4)運行頻率控制設(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/0(4---20mA,我們選擇電流輸入4-20mA,此時將控制板上的電壓 / 電流選擇插件CN10的跳線選擇1側(cè)。
　　 5)運行命令選擇F02設(shè)定為1,外部端子運行控制有效,即用操作柱來啟動變頻器。
　　 6)停機(jī)方式F30設(shè)定為1,外部端子運行控制有效,即用操作柱來啟動變頻器。
　　 7)停機(jī)方式F30設(shè)定為1,選擇自由運行停止。
　　 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)波動幅值較小。電機(jī)在變頻調(diào)速器的控制下保持中速運行狀態(tài)。在電機(jī)啟動、控制過程中實行延時斜升、斜降,并且有輸出短路、欠壓、過流、過載過熱等報警跳閘及在線故障診斷功能,保證其運行安全可靠,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,按年運行8000小時計算,每年可節(jié)省電能309760kwh,若按電價0.35元/kwh計算,每年節(jié)約電費10.8416萬元。不到一年可收回投資。
　　 三、結(jié)束語
　　 實際應(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臺艾默生TD2000系列變頻器,功率在90KW-250KW,運行一年多從未出現(xiàn)質(zhì)量問題。