黎健洪
一汽-大众汽车有限公司佛山分公司 528237
摘要：总结变频调速技术在钢铁、石油、化工、机械、电力等行业的应用情况,分析变频调速技术的应用范围、节能特点及节能效益等。结果表明,变频调速技术在节能降耗、提高自动控制水平等方面, 具有很好的应用前景。
关键词：变频器 变频调速 节能降耗
变频调速技术是20 世纪80 年代末兴起的一种新型电力传动调速技术, 它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案。但是变频调速装置种类繁多, 并且适用范围、条件等不同, 所以有必要对变频调速技术的应用进行分析总结, 找出每种变频调速技术的应用范围、节能特点及节能效益等, 为变频调速技术的选择提供理论基础。
1 变频调速技术
变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性、系统的安全可靠性和延长设备使用寿命等优点而成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。变频调速技术涉及到电机、电力电子技术、微电子技术、信息与控制等多个学科领域，变频调速理论已经形成较为完善科学体系，成为一门相对独立的学科。而相对于大多数人来说，变频调技术是一项陌生而新奇的技术，变频器是一种高科技产品，是一种将交流电转化为可变频变压运行的电能转换装置，有工业维生素之称。变频调速装置通常由整流器、平波电抗器或滤波电容器、逆变器及控制电路组成。在中间直流电路中串接平波电抗器作储能元件的称为电流型变频器。中间直流回路并接滤波电容器作储能元件的称为电压型变频器。整流器将输入的工频交流电变换为直流电，经中间直流环节输入至逆变器，逆变器将直流电流变换为可调电压、可调频率的交流电输入到电动机。打个比方，变频器就好比一个人的心脏，人在运动的时候，心脏将剧烈跳动，心率增加，供应大量的血液给身体各器官;人在休息的时候，心脏将变缓，从而节约能耗。电动机同样也象一部操作中的机器心脏，其运转速度也需要根据其负荷大小来调整运转频率，而变频器则是为其正常运转加上一个自动调节装置。变频器自1964年问世以来，经历40多年的发展，在欧美发达国家广泛使用，目前在中国的空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间。
2 空气压缩机的使用现状
空压站在配备空压机时不仅要考虑满足当前生产的需求，还要考虑以后增容的可能，因此空压机配备的供气能力基本都大于实际的生产需求。而每台空气压缩机在出厂时都会配套相应的排气压力调节装置，其工作原理是当储气罐（风包）内空气压力超过设定的压力时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态，当储气罐内的空气压力低于设定压力时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入到加载工作状态。空气压缩机的排气量和压力在运转中也不是不变的，常因工况变化导致用气量变化，所以空气压缩机工作时总是在重复加载—卸荷工作方式。这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大。
在实际工作中，空压站按最大工作负荷而设计的，在满负荷运行状态下，不能排除空压机需要长时间加载过程运行的可能性，所以只能按最大需要来决定电动机的容量，设计余量偏大。同时由于企业生产有忙季、淡季之分，因此实际运行时所需的压力或流量并不固定。在用气量少时，启动1～2台机组，用气量大时，启动多台并联运行。在系统预设管网压力值，系统将自动根据预设的压力值的下限与上限进行自动的加载和卸载，用来满足用气量。
3 空压机运行特点
根据空压机的运行特性可知，空压机属于恒转矩负载，应选用通用型变频器。空压机选用变频器拖动的主要目的是按需要的用风量，合理调节供气压力的设定值，实现稳压节能运行。不仅使电动机实现软启软停，减小启动冲击，延长设备使用年限，同时由于电动机运行频率可变，实现了空压机根据用气量的大小自动调节电动机转速，减少了电动机频繁的加载和卸载，从而较大幅度减小了电动机的运行功耗，使得供气系统气压维持恒定，实现节能的目的。按配套电动机额定功率选用相同容量的恒转矩变频器，变频器要有内置PID调节功能和4～20 mA或0~10 V模拟信号接口；使用地点的电压变动率要在变频器允许输入电压范围内。
4 空压站节能改造原理
流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：若供气流量> 用气流量，则储气管气压上升；若供气流量< 用气流量，则储气管气压下降；若供气流量= 用气流量，则储气管气压不变，所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。变频恒压控制是将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送到系统，经过系统的计算后通过D/A转换成摸拟信号给变频器的PID调节单元，使空压站的拖动电机通过变频器输出相应的转速来控制压缩机的运行速度及台数，使实际压力与设定压力相等来达到恒压目的，实现供气的连续调节，保证管网压力稳定。变频恒压供气系统的整个控制过程如图1所示。
用气需求量增大→管路气压下降→压力设定值与返馈值的差值增加→PID输出增大→变频器输出频率变大→空压机电机转速提高→供气流量增大→管路气压趋于稳定。变频恒压供气系统根据管网瞬时用气量的变化自动调节空压站中央空压机的转速和运转台数，使管网压力始终保持恒定的设定压力，从而达到了空压机的节能降耗和提高供气质量的目的，同时实现了控制过程的自动化，并且对空压机进行了超压、过载、过流、欠压等自动报警保护，此时变频器一旦出现故障，生产工艺不允许空气压缩机停机，系统可以设置工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。空压站采取的变频恒压供气控制系统原理框图，如图2所示。
通过检测储气罐压力，实现系统的压力闭环控制，自动调节空气压缩机的转速和空气压缩机的运转台数。改造后的空压站控制系统由2个基本系统组成，即恒压变频调速系统和微机控制参数监测管理系统。系统工作时，压力变送器YB将总管压力P转变为电信号送入A/D与压力设定值P0比较，并根据差值的大小按给定控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器，通过变频器控制电动机的转速，再通过控制系统控制空气压缩机运行的台数，使实际压力P 始终接近设定压力P0。在用气系统需一台空气压缩机运行时，单台空气压缩机变频运行维持恒压供风；当用气系统风量不足时，变频器运行频率升高为50 Hz（或当电动机运行速度接近工频速度时，通过自动延时转为工频运行），再启动另一台空气压缩机变频运行维持恒压供风，这样以此类推。多台空气压缩机都由变频器来启动，实现带载软启动，避免了启动冲击电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。系统循环带载软启动、循环停机的工作方式，实现了供气量的连续调节，保证了总管压力稳定。
5 结论
从变频调速技术的应用可以看出, 变频调速技术以其显著的节能效益和优良的调速性能, 在钢铁、煤炭、石油、电力等行业得到普遍应用。特别是随着电力电子技术、计算机技术的发展和现代控制技术的进步,该技术应用领域将越来越广。
参考文献
[1] 李庆.变频技术在火电厂辅机上的应用.上海电力,2006(2)
[2] 崔力.变频器在火电厂辅机节能改造中存在的问题和改进建议.电工技术,2002(9)
[3] 于屹, 何未茹.变频调速装置在电力系统中的应用调查.国际电力,2002 (6)
[4] 张永惠.高压变频调技术在电厂的应用.自动化博览: 20 周年纪念文集
论文作者:黎健洪
论文发表刊物:《探索科学》2016年4期
论文发表时间:2016/8/30
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