變頻器與傳動(dòng)]變頻調(diào)速器在熔窯熱工控制中應(yīng)用

1、變頻器與傳動(dòng)變頻調(diào)速器在熔窯熱工控制中應(yīng)用本文從窯爐助然風(fēng)流量控制中變頻器與調(diào)節(jié)蝶閥的選用方案比較入手，通過應(yīng)用實(shí)例，介紹變頻器一些基本性能，節(jié)能、易操作特點(diǎn)及選用注意事項(xiàng)，為擴(kuò)大變頻器在瓶罐玻璃工廠應(yīng)用提供參考。一、前 言                                交流變頻調(diào)速技術(shù)是丁項(xiàng)具有八十年代中期國際水平的技術(shù)。采用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器（以下簡稱變頻器）控制各種場(chǎng)合的風(fēng)機(jī)、水泵，則是這項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用。這項(xiàng)技

2、術(shù)在一些行業(yè)己得到推廣和應(yīng)用，使用效果較好，受此啟發(fā)，我們于九二年及其以后的設(shè)計(jì)中采用這項(xiàng)技術(shù)，解決熔窯助燃風(fēng)流量的控制問題，經(jīng)過實(shí)際使用，效果比較理想。事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)在瓶罐玻璃行業(yè)也有其它同行所采用，只是未作交流而已。我們希望通過此文拋磚引玉，與同行們交流砌磋，互相促進(jìn)，更好的解決窯爐自控問題。                二、變頻器應(yīng)用中的利與弊                       

3、;         大家知道 ，燃油的玻璃熔窯助燃風(fēng)流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，是構(gòu)成爐溫、油、風(fēng)串級(jí)比值調(diào)節(jié)（或雙交又調(diào)節(jié)）系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。在國內(nèi)，瓶堵玻瑞工廠熔窯助燃風(fēng)流量作為被控對(duì)象的歷史較之重油流量控制要晚，原因之一是受檢測(cè)元件和執(zhí)行裝置限制。國產(chǎn)均速管、渦街流量計(jì)的出現(xiàn)，為助燃風(fēng)流量檢測(cè)提供了條件。而助嫌風(fēng)流t控制執(zhí)行裝置目前有兩種方式供選擇：一種是采用蝶閥，進(jìn)行截流式控制：另一種是采用變頻器，通過改變輸入頻率來改變風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變風(fēng)量的目的。這兩種方式均有應(yīng)用的實(shí)例。在我們?cè)O(shè)計(jì)過的瓶罐玻璃工廠中，有幾條引進(jìn)生產(chǎn)線，自控系統(tǒng)隨熔窯引進(jìn)

4、，其中助燃風(fēng)流量控制執(zhí)行裝置采用的是調(diào)節(jié)風(fēng)門（Regurated Flap），其結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理同國內(nèi)蝶閥，己使用多年。我們自行設(shè)計(jì)的熔窯控制系統(tǒng)則采用變頻器作為助燃風(fēng)流量控制的執(zhí)行裝蓋。為什么我們自己設(shè)計(jì)的助燃風(fēng)流量控制系統(tǒng)采用變頻器呢？這是我們根據(jù)玻璃工廠工藝情況和變頻器的特點(diǎn)經(jīng)過分析后得出結(jié)果。下面是我們采用變頻器的一些看法。                1、有利因素：                    &

5、#160;           （1）采用變頻器控制風(fēng)機(jī)、水泵是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在別的行業(yè)已有應(yīng)用成功的實(shí)例。                （2）節(jié)能。據(jù)資料介紹，變頻器節(jié)能效果高可達(dá)50%，平均達(dá)41%.由于調(diào)節(jié)續(xù)閥是靠壓差來調(diào)節(jié)的，因此約有壓差的二分之一的能lot作為環(huán)力損失消耗，而變頻器白身功耗僅占總功率3%左右。                （3）不占用直管段。眾所周知，瓶罐

6、玻璃廠熔窯助燃風(fēng)管路系統(tǒng)牡點(diǎn)足門徑大、主管道的直管段較短，主管道要同時(shí)滿足檢測(cè)儀表和執(zhí)行裝置的直管段比較困難。根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的助燃風(fēng)管路情況看，送風(fēng)主管路的管道長短不一。例如K的可達(dá)了米，管逆內(nèi)徑450mm，約合16D；短的只有1米，管邁內(nèi)徑700mm，約合1.4D；一般以2-4米為多，在相應(yīng)管徑下約合46D，根據(jù)常用的氣體流鼓測(cè)量裝置對(duì)直管段要求悄沉石，以均速管的要求較低，據(jù)產(chǎn)品說明書介紹，最有利的管路結(jié)構(gòu)情況下（同一平而內(nèi)有一個(gè)900彎頭或三通），上游側(cè)（以下稱前）需7D，下游側(cè)（以下稱后）需3D，有的樣本給出最低直管段要求為前2D，后2D。從多數(shù)的助燃風(fēng)送風(fēng)側(cè)管路情況看，均速管需前7D，后

7、3D，否則將達(dá)不到均速管所給出1%的測(cè)量精度指標(biāo)。而渦街流量計(jì)，至少需前10D，后5D，才能保證1%的測(cè)量精度。對(duì)于僅有48D直管段情況下，若再安裝白身厚度約。3米的蝶閥的話，相當(dāng)于插入了一個(gè)阻力元件，則連48D直管段也沒有了，均速管流黃計(jì)的直管段不能滿足要求，則直接影響測(cè)量精度，甚至將無法保證測(cè)量結(jié)欠準(zhǔn)確性。在近年來的設(shè)計(jì)中，采用了在吸風(fēng)口側(cè)裝設(shè)吸風(fēng)管道，將檢測(cè)元件安裝在吸風(fēng)管道上的做法，直管段比較容易滿足，但受到工藝條件的限制，并非侮個(gè)廠都能做到。采用變頻器方案，由于沒有管路阻力元件，相對(duì)于采用蝶閥的方案來說有利一些。          &

8、#160;     （4）變頻器安裝方便，易于操作。由于調(diào)節(jié)蝶閥是嵌裝在助燃風(fēng)管道的七，一般安裝在距地面2米7米的空間，安裝和檢修不方便，管徑大的還要加固風(fēng)管：而變頻器可以安裝在風(fēng)機(jī)旁亦可安裝在控制室（最好不要離電機(jī)太遠(yuǎn)），除可白動(dòng)及遠(yuǎn)方操作外，還可在機(jī)旁手動(dòng)操作，數(shù)據(jù)顯示豐富，相對(duì)蝶閥要方便得多。                （5）從投資上看，目前變頻器的價(jià)格與國產(chǎn)蝶閥價(jià)格相差不是很大，例如，管徑600， 的國產(chǎn)輕型電動(dòng)蝶閥（ZAJW-0.1），鑄鋼材質(zhì)，99年的價(jià)格為每臺(tái)0.70.8萬元，

9、氣動(dòng)蝶閥（ZSCW-0.6），鑄鋼材質(zhì)，99年的價(jià)格為每臺(tái)0.6 萬元左右（不帶定位器及手輪），現(xiàn)一臺(tái)5.5K W國產(chǎn)變頻器價(jià)格為0.70.8萬元，一臺(tái)5.5K W進(jìn)口變頻器價(jià)格為0.81.1萬元左右。國產(chǎn)變頻器價(jià)格已與相應(yīng)規(guī)格的國產(chǎn)蝶閥價(jià)格相近。                2、不利因素：                                （

10、1）變頻器輸出轉(zhuǎn)矩在低頻段不能保持恒定。由于電機(jī)定子繞組有銅損，電機(jī)工作在低頻時(shí)，繞組內(nèi)部的壓降不可忽略。據(jù)資料介紹，電機(jī)在1015Hz以下低頻運(yùn)行時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)有所下降，大約下降10%30%，在6Hz以下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩僅達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的60%70%。因此，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩工作特性的對(duì)象（例如羅茨風(fēng)機(jī)）在選用變頻器時(shí)，應(yīng)考慮這一因素，避免工作在低頻段。如果要求長期在低頻段工作，應(yīng)選用適用于恒功率特性的變頻器或考慮變頻器配套功率比電機(jī)功率提高一個(gè)功率級(jí)，以免應(yīng)過流而損壞。                （2）存在電機(jī)損

11、耗和溫升。用變頻器驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)時(shí)，由于變頻器輸出電壓波形中除所需的基本頻率外，還有載波頻率及5次、7次諧波等。載波頻率使電機(jī)的鐵損增加，各次諧波頻率主要使銅損增加。據(jù)資料介紹，與直接由電網(wǎng)電壓驅(qū)動(dòng)相比，電機(jī)的溫度將有所升高，嚴(yán)重時(shí)，溫升可高出1020攝氏度。如果電機(jī)在低頻段運(yùn)行，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，自身冷卻效果亦降低，將進(jìn)一步促使電機(jī)的溫升提高。                （3）存在電磁噪音。產(chǎn)生電磁噪音的原因是由于變頻器輸出電壓波形為非正弦波形，上面“毛刺”很多，尤其是電機(jī)在低頻段運(yùn)行時(shí)較明顯。我們?cè)谠缙诘膶?shí)際

12、應(yīng)用中，采用一種國產(chǎn)變頻器，在10Hz以下運(yùn)行時(shí)有電磁噪音，在6Hz以下運(yùn)行時(shí)，電磁噪音比較明顯， 有時(shí)有刺耳的尖叫聲。近年來，國內(nèi)外的變頻器產(chǎn)品，采用了16位或32位的CPU（Central Processing Unit，中央處理器），有較好的軟件，加上功率輸出元件采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型品體管），輸出波形比較平滑，減少了啟動(dòng)和低頻運(yùn)行時(shí)的噪音。后來我們采用日本富士電機(jī)公司FRN5000系列G9S型變頻器，從1Hz-50Hz運(yùn)行段，電機(jī)的電磁噪音不明顯，更沒有尖叫。這也說明電磁噪音與變頻器質(zhì)量亦有很大關(guān)系。另一個(gè)問題是對(duì)

13、電源的“污染”問題，但由于助燃風(fēng)調(diào)節(jié)中所用變頻器容量較小，這個(gè)問題不突出。                （4）存在電機(jī)共振的可能性。用變頻器的另一注意點(diǎn)是要防止某一工作點(diǎn)與電機(jī)（或風(fēng)機(jī)）的本振頻率發(fā)生共振，這時(shí)電機(jī)的震動(dòng)及噪音將增大。實(shí)用中我們沒有遇到這種情況。                （5）不適用于多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行、采用總管式供風(fēng)情況，而適合于一臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)對(duì)一臺(tái)熔窯的場(chǎng)合。變頻器可以帶多臺(tái)電機(jī)，但從工藝的角度考慮，這種情況下沒

14、有實(shí)用價(jià)值，而調(diào)節(jié)蝶閥在總管式供風(fēng)情況下可實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)窯爐助燃風(fēng)量的控制。                以上幾點(diǎn)不利因素是采用變頻器時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的，但是隨著變頻器自身技術(shù)改進(jìn)，某些因素影響在減弱，例如電磁噪音，另外對(duì)于熔窯助燃風(fēng)的電機(jī)來說，由于功率較小、運(yùn)行工況及使用環(huán)境較穩(wěn)定，在選用質(zhì)量較好的變頻器情況下，這些不利因素相對(duì)影響小，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況看，可長期穩(wěn)定工作。                綜合分析 ，用變頻器取代蝶閥作助燃風(fēng)流量

15、控制執(zhí)行裝置，利大于弊，這就是我們選用變頻器的原因。根據(jù)以上分析，兩種方案的特點(diǎn)對(duì)比如下：                采用變頻器的方案特點(diǎn)：                （1）調(diào)節(jié)原理：通過對(duì)風(fēng)機(jī)的電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量控制，無管道壓力損失，自身功耗小，節(jié)能。低頻段運(yùn)行有電磁噪音，溫升增高。                （2）安裝、操作方便，易于維修。

16、                （3）投資：比蝶閥稍高。                采用蝶閥的方案特點(diǎn)：                （1）調(diào)節(jié)原理：截流式，前后需有0.30.5KPa壓力損失。風(fēng)機(jī)全壓指標(biāo)相應(yīng)選大，不節(jié)能。                （2）風(fēng)管道需加厚

17、、支撐，現(xiàn)場(chǎng)操作及維修不方便。                （3）比變頗器稍低。                三、助燃風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制的特點(diǎn)                                （1）一般變頻器采取控制V/F（電壓/頻率）比值恒定的方式，以防低速運(yùn)行

18、時(shí)電機(jī)因過流而燒壞。                （2）V/F比值與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性有恒轉(zhuǎn)矩、減轉(zhuǎn)矩以及恒轉(zhuǎn)矩/恒功率等特性之分，助熱風(fēng)機(jī)為減轉(zhuǎn)矩特性。減轉(zhuǎn)矩特性的好處是低速運(yùn)行時(shí)不需很大轉(zhuǎn)矩，因此能夠通過降低電壓提高效率。                （3）根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率成正比，與極數(shù)成反比的特性，對(duì)于己選定的風(fēng)機(jī)，其配套帶來的電機(jī)極數(shù)己定，因此，改變頻率，即可改變其轉(zhuǎn)速。        &

19、#160;       （4）由于風(fēng)量與轉(zhuǎn)速一次方成正比，通過變頻器改變助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到線性改變風(fēng)量的目的。                四、某工程實(shí)施方案                                              &#

20、160; 圖1                助燃風(fēng)風(fēng)量，最大流量18000m3/h，配用電機(jī)功率7.5Kw。流量通過均速管流量計(jì)檢測(cè)，測(cè)量的差壓值經(jīng)差壓變送器轉(zhuǎn)換420mA 信號(hào)，由配電器轉(zhuǎn)換成15V信號(hào)送微機(jī)系統(tǒng)，由微機(jī)系統(tǒng)輸出420mA信號(hào)進(jìn)入變頻器，通過變頻器去改變助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變風(fēng)量目的。                變頻器采用日本富士（FUJI）公司產(chǎn)品，型號(hào)為FRN7.5G9S-4JE，規(guī)格為：裝置容星14

21、KVA，配接電機(jī)7.5KW，輸出頻率0400Hz，最大輸出電流18A，輸入電壓為三相380V，50Hz。這種機(jī)型主控板采用雙32位CPU，PWM技術(shù).輸出功率元件采用IGBT（絕緣柵雙極刑品體管）模塊。變頻器操作面板采用一塊鍵板（KEYPAD），鍵板通過一個(gè)插接口與變頻器相連，輔以螺釘緊固。鍵板上有LED顯示、液品顯示及八個(gè)軟鍵，LED顯示輸出電爪、電流、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行參數(shù)，液品顯示程序步及設(shè)定參數(shù)。鍵板亦可以通過變頻器上的RS-232C接口，利用選件電績將鍵板遠(yuǎn)拉至10米處進(jìn)行遠(yuǎn)方操作。變頻器上除010V或420mA輸入、外部電位器設(shè)定輸入、頻串輸出（060Hz，脈沖或模擬方式）

22、、報(bào)警輸出等連接端子外，還有外部制動(dòng)等連接端子用于其他用途，由于助燃風(fēng)控制系統(tǒng)上較少采用，故不一一羅列，具體可參考有關(guān)說明書。                變頻器的安裝位置設(shè)在風(fēng)機(jī)旁的混凝土立柱上，操作和觀察很方便。                為了保證變頻器的正常運(yùn)行，將其置于帶門鎖、兩側(cè)有散熱孔的保護(hù)箱內(nèi)。                以下是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)

23、變頻器聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)測(cè)試得到的一組數(shù)據(jù)，列表1如下。                表1                                注：1. 調(diào)節(jié)器手操輸出為百分?jǐn)?shù)，輸出值（mA）為理論計(jì)算值，并不是實(shí)際測(cè)量值。                2. 風(fēng)量測(cè)量值顯示

24、的是一個(gè)波動(dòng)值，約在本表取值的±50m3/h上下波動(dòng)。                                五、變頻器產(chǎn)品的目前情況                                目前變頻器的生產(chǎn)廠家較多，據(jù)我們所知，在我國市場(chǎng)的產(chǎn)品有：日本安

25、川(YASKAWA),富士（FUJI）、日立（HITACHI）、三菱（MITSUBISHI）、三肯（SANKEN）、松下（NATIONAL），美國ABB，丹麥丹佛斯，德國西門子（SIEMENS），韓國金星（GLOGSTAR.有譯為高士達(dá)），臺(tái)灣臺(tái)達(dá)、普傳、北京比萊恩（北京電機(jī)總廠引進(jìn)日本三菱電機(jī)公司技術(shù)生產(chǎn)）、西安西普（采用臺(tái)灣普傳PI90系列技術(shù)）、北京北茂、深圳華為等公司產(chǎn)品。                市場(chǎng)上的產(chǎn)品從操作面板上的設(shè)定方式看可分為兩類：一類是電位器設(shè)定（模擬）方式；另一類是軟鍵設(shè)定（數(shù)字）方

26、式。                面板上采用電位器設(shè)定頻率的變頻器，其外部設(shè)定輸入信號(hào)有010V.DC 或420mA.DC信號(hào)，也可以通過外部電位器進(jìn)行設(shè)定。輸出頻率采用模擬儀表指示或LED數(shù)字顯示。主控板采用8位或位16CPU，PWM技術(shù)。功率輸出元刊采用GTR校塊。                面板上采用軟鍵設(shè)定頻率的變頻器，其外部設(shè)定輸入信號(hào)亦有0-1OV.D C或4-20mAo DC信號(hào)，亦可以通過外部電位器進(jìn)行設(shè)定。輸出頻

27、率采川Lf'D數(shù)宇顯示，顯示功能比較半富，除了顯示頻率外，電壓、電流、轉(zhuǎn)速等土要參數(shù)可手動(dòng)切換顯示。土控板采用16位或32位CPU，采用全數(shù)字久員PWM技術(shù)。功率元件采用IGBT模塊。吏進(jìn)一步的元件采用IPM（Intelligent Power Module adopting IGBT，采用IGBT的智能功率模塊），這是一種內(nèi)置保護(hù)電路的功率輸出模塊。                數(shù)字設(shè)定變頻器是近年來新產(chǎn)品。這種產(chǎn)品除了繼承以往產(chǎn)品功能外，新增了不少功能，尤其是采用了磁通矢量控制實(shí)現(xiàn)低速高轉(zhuǎn)矩（高達(dá)15

28、0%）以及采用IGBT功率輸出模塊，在一定程度上解決了低頻低轉(zhuǎn)矩以及低頻產(chǎn)生電磁噪音的問題，通用性更好，價(jià)格比以往產(chǎn)品高出50%左右（以5.SK W產(chǎn)品為例）。                以下是目前較先進(jìn)的變頻器產(chǎn)品具有的一些基本特點(diǎn)。                （1）采用32位CPU。例如日本日立J300系列、富士FRNG9S系列（采用雙32位CPU），日本三肯公司IF系列產(chǎn)品等。      &#

29、160;         （2）通信接口功能。                （3）多種設(shè)定方式：                數(shù)字式頻率給定，                模擬量給定（420mA），                電位

30、器給定（01K），                固定頻率給定，                遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸。                （4）豐富的數(shù)字顯示。                （5）豐富的內(nèi)部功能。