風(fēng)光高壓變頻器在制糖行業(yè)中的應用

1 概述

廣西農墾金光制糖有限公司是國家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)，現日處理甘蔗量8 000 t，年產(chǎn)機制糖10萬(wàn)t。但是近年來(lái)，隨著(zhù)產(chǎn)銷(xiāo)量的不斷增加，企業(yè)的生產(chǎn)成本也在逐年攀升，特別是原有的鍋爐風(fēng)機及給水泵，都是高壓大功率電機，起動(dòng)方式為高壓直接起動(dòng)，引風(fēng)機為水阻起動(dòng)，電動(dòng)機起動(dòng)對電網(wǎng)沖擊大、耗能高，干擾電力系統正常運行。引風(fēng)機和鼓風(fēng)機起動(dòng)后操作工根據鍋爐燃燒情況手動(dòng)控制風(fēng)機的風(fēng)門(mén)開(kāi)度，因此產(chǎn)生風(fēng)阻比較大、電能耗高，容易發(fā)生機械故障，鍋爐供水量則通過(guò)水位調節系統控制自動(dòng)閥門(mén)調節供水量，供水截流損耗高。電費居高不下，成為困擾企業(yè)發(fā)展的一大阻力?，F在國家普遍提倡節能降耗，隨著(zhù)《中華人民共和國節能法》的頒布，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，節能降耗，已勢在必行。

隨著(zhù)高壓變頻調速技術(shù)的日趨完善，高壓變頻器的應用正日益普及。因此，采用高壓變頻器，對原來(lái)的工頻控制設備及新上設備進(jìn)行技術(shù)改造，已成為當務(wù)之急。為了解決75 t 鍋爐鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵存在的以上問(wèn)題，廣西農墾金光制糖有限公司在2008 年檢修期對75 t 鍋爐進(jìn)行變頻節能改造。此改造項目被列為廣西壯族自治區經(jīng)委電機節能技術(shù)改造項目，項目投資180 萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)考察，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司研發(fā)生產(chǎn)的高壓變頻器已在國內著(zhù)名的鋼鐵、煤炭、化工、石油、制藥等眾多企業(yè)的除塵風(fēng)機、凝結水泵、提升機等設備上都有批量應用，而且取得了較好的效果，因此決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器對鍋爐風(fēng)機、給水泵等設備進(jìn)行技術(shù)改造。

2 現場(chǎng)的設備情況

75 t 鍋爐鼓風(fēng)機電機：型號YKK450-4;額定功率280 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;運行電流16 A。

75 t 鍋爐引風(fēng)機電機：型號YRKK500-6;額定功率560 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;

運行電流29~30 A;閥門(mén)開(kāi)度80%;每年運行時(shí)間120天左右。

給水泵電動(dòng)機：型號YKK450-2;額定功率450 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;運行電流28 A;工況為一用一備。

3 改造方案

為滿(mǎn)足高壓變頻配置中對變頻器的要求，本著(zhù)安全第一、質(zhì)量可靠的方針進(jìn)行認真的分析，認為鍋爐引風(fēng)機采用JD-BP38-560 型、鍋爐鼓風(fēng)機采用JD-BP38-280 型、鍋爐給水泵采用JDBP38-450 型高壓變頻器完全能滿(mǎn)足要求。

3.1 一次回路系統原理

一次回路由進(jìn)線(xiàn)柜(旁路柜)、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過(guò)程中或變頻器出現故障時(shí)，將電機投入到工頻電網(wǎng)運行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運行時(shí)，變頻器為電機提供全面的保護。

3.1.1 鍋爐鼓風(fēng)機與引風(fēng)機一拖一方案

如圖1 所示，保留原系統所有設備，將高壓變頻器串入高壓電機回路。系統變頻運行時(shí)，通過(guò)改變變頻器頻率改變電機的轉速。若變頻器某單元故障，變頻器自動(dòng)將該單元短路，高壓變頻器可降頻運行;當變頻器故障單元躍2 時(shí)，高壓變頻器可手動(dòng)切換到工頻運行，保證系統工作的可靠性。

在圖1 中，K1、K2、K3 為電磁鎖，當變頻運行時(shí)，K1與K3閉合，K2斷開(kāi)，當工頻運行時(shí)，K1與K3斷開(kāi)，K2閉合。K1、K2、K3有嚴格的機械和電氣互鎖關(guān)系，不能同時(shí)閉合，防止工頻與變頻同時(shí)送電，造成事故。

3.1.2 鍋爐給水泵一拖二方案

鍋爐給水泵一拖二方案原理如圖2所示。10 kV電源經(jīng)輸入刀閘到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線(xiàn)刀閘送至電動(dòng)機;10 kV 電源還可經(jīng)旁路刀閘直接起動(dòng)電動(dòng)機。進(jìn)出線(xiàn)刀閘和旁路刀閘的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開(kāi)進(jìn)出線(xiàn)刀閘，將變頻裝置隔離，手動(dòng)合旁路刀閘，在工頻電源下起動(dòng)電機運行。旁路刀閘、輸入刀閘、出線(xiàn)刀閘之間有閉鎖，以防止誤操作。

變頻控制系統為一拖二控制方式，兩臺電機機采用一用一備運行方式，即一臺電機在變頻運行狀況下，另外的一臺電機處于工頻待機狀態(tài)，作為備用。電機之間可通過(guò)手動(dòng)切換選擇任一臺作為變頻運行泵，兩臺電機均具備工頻/變頻手動(dòng)切換功能。系統還具有工頻旁路功能，萬(wàn)一變頻器出現故障，可以轉換到工頻狀態(tài)運行，而不會(huì )耽誤生產(chǎn)，增加了系統的可靠性。系統改造時(shí),無(wú)需做大的改動(dòng), 只把高壓變頻器串在原來(lái)的控制系統中,系統中的旁路開(kāi)關(guān)柜用于工頻、變頻轉換。

變頻運行狀態(tài)：若系統需要1# 電機變頻運行，則將操作臺狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于1# 變頻運行位置，這時(shí)DK1、DK4、DK5、DK6 斷開(kāi)，DK2、DK3 閉合，通過(guò)操作臺控制QF1 的斷開(kāi)與閉合，實(shí)現電機的變頻運行與停止;如2# 電機變頻運行，則將操作臺狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于2# 變頻運行位置，這時(shí)DK1、DK2、DK3、DK4 斷開(kāi)，閉合DK5、DK6，通過(guò)操作臺控制QF2 的斷開(kāi)與閉合，實(shí)現電機的變頻運行與停止。變頻器頻率的高低由操作臺的電位器控制或主機設置。

工頻運行狀態(tài)：若系統需要1# 電機工頻運行，則將操作臺狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于1# 工頻運行位置，這時(shí)DK2、DK3、DK4、DK5、DK6 斷開(kāi)，DK1 閉合，通過(guò)操作臺控制QF1 的斷開(kāi)與閉合，實(shí)現電機的工頻運行與停止;如2# 電機工頻運行，則將操作臺狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)置于2#工頻運行位置，這時(shí)DK1、DK2、DK3、DK5、DK6斷開(kāi)，DK4閉合，通過(guò)操作臺控制QF2的斷開(kāi)與閉合，實(shí)現電機的工頻運行與停止。

3.2 控制系統

控制系統由控制器、光纖、PLC、人機界面和上位機組成。各部分之間的聯(lián)系如圖3 所示。

控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。

光纖板通過(guò)光纖與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向功率單元發(fā)出脈寬調制(PWM)信號或工作模式。功率單元通過(guò)光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號，并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號。

主控板采用高速DSP單片機，完成對電機控制的所有功能，采用正弦波載波移相方式產(chǎn)生脈寬調制的三相電壓指令。通過(guò)RS232 通訊口與人機界面主控板進(jìn)行數據交換，提供變頻器的狀態(tài)參數給人機界面，并接受來(lái)自人機界面主控板設置的參數。

人機界面為用戶(hù)提供友好的全中文操作界面，負責信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監控而實(shí)現變頻器的網(wǎng)絡(luò )化控制。通過(guò)主控板和PLC 采集的數據，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，提供記錄功能，并實(shí)現對電機的過(guò)載、過(guò)流進(jìn)行報警和保護。通過(guò)RS232 通訊口與主控板連接，通過(guò)RS485 通訊口與PLC 連接，實(shí)時(shí)監控變頻器系統的狀態(tài)。風(fēng)光變頻控制系統主界面如圖4 所示，參數設置界面如圖5 所示。

PLC 用于變頻器內部開(kāi)關(guān)信號以及現場(chǎng)操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現場(chǎng)應用的靈活性。PLC 有處理4 路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理來(lái)自現場(chǎng)的流量、壓力等模擬信號或模擬設置時(shí)的設置信號;模擬輸出量是頻率給定信號。

上位機由RS485接口與PLC 進(jìn)行通訊，以方便用戶(hù)對變頻器進(jìn)行操作，并實(shí)時(shí)監測變頻器的運行參數，若與打印機連接，也可隨時(shí)打印工作記錄。只要設置好變頻器的各種運行參數，操作員就可以在監控室內進(jìn)行各種操作，而無(wú)須進(jìn)入高壓電控室內，既方便又安全，從而減輕了工人的勞動(dòng)強度，提高了工作效率。

3.3 控制方式

風(fēng)光變頻器有三種控制方式：

1)本地控制從變頻器操作界面控制電機的啟動(dòng)和停機，并能完成變頻器的所有控制;

2)遠程控制通過(guò)內置PLC 接受來(lái)自現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量控制;

3)上位控制通過(guò)RS485接口，采用Propfibus通訊協(xié)議，接收上位系統的控制信號。

3.3 控制方式

風(fēng)光變頻器有三種控制方式：

1)本地控制從變頻器操作界面控制電機的啟動(dòng)和停機，并能完成變頻器的所有控制;

2)遠程控制通過(guò)內置PLC 接受來(lái)自現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量控制;

3)上位控制通過(guò)RS485接口，采用Propfibus

本次改造中全部采用上位控制，由操作人員在上位機上實(shí)現頻率調節，運行參數的監測等。

3.4 速度設置方式(或閉環(huán)運行時(shí)的給定方式)

風(fēng)光變頻器有多種速度設置方式，在閉環(huán)運行時(shí)，速度設置方式即為被控量的給定方式：

1)本地設置通過(guò)液晶屏設置運行頻率;

2)模擬設置接收DCS系統0~10 V或4~20mA 模擬信號設置運行頻率或被控量給定值;

3)通訊設置通過(guò)通訊方式接收來(lái)自DCS系統的運行頻率或被控量給定值;

4)多檔設置通過(guò)開(kāi)關(guān)量設置多檔運行速度或被控量給定值;

5)閉環(huán)調節由PID自動(dòng)設置運行頻率。

在本次改造中，引風(fēng)機、鼓風(fēng)機采用開(kāi)環(huán)控制，上位機模擬量信號4~20 mA 電流通過(guò)通訊接口對變頻器進(jìn)行控制。

而鍋爐給水泵則采用閉環(huán)調節，由安裝在泵管道上的壓力傳感器采集的壓力信號4耀20 mA電流與變頻器的壓力設定信號相比較，若實(shí)際信號大于設定信號，則變頻器降低頻率，若實(shí)際信號小于設定信號，則變頻器增加頻率，從而使實(shí)際壓力與設定壓力趨于一致，保持管道壓力的穩定，實(shí)現恒壓運行。

4 改造后的應用效果

1)節能明顯。改造后，電機運行電流明顯下降，鍋爐鼓風(fēng)機電流由16A 降為10耀12 A，原系統實(shí)際運行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊16伊10 000伊0.80抑222 kW，變頻運行時(shí)的功率為P2=1.732伊12伊10 000伊0.95抑197 kW，變頻改造后在鼓風(fēng)時(shí)每小時(shí)節省電能為駐P=P1-P2=222-197=25 kW，節電率為25/222伊100%=11%。

引風(fēng)機電流由29耀30 A降為20 A，原系統實(shí)際運行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊30伊10 000伊0.80抑415 kW，變頻運行時(shí)的功率為P2=1.732伊20伊10 000伊0.95抑329 kW，變頻改造后在引風(fēng)時(shí)每小時(shí)節省電能為駐P=P1-P2=415-329=86 kW，節電率為86/415伊100%=21%。

鍋爐給水泵電流由28 A降為19 A，原系統實(shí)際運行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊28伊10 000伊0.80抑388 kW，變頻運行時(shí)的功率為P2=1.732伊19伊10 000伊0.95=312 kW，變頻改造后每小時(shí)節省電能為駐P=P1-P2=388-312=76 kW，節電率為76/388伊100%=20%。

水泵和引風(fēng)機的節電率都達到了20%，鼓風(fēng)機的節電率也在11%，可見(jiàn)，節能效果十分顯著(zhù)。

2)風(fēng)光高壓變頻器具有優(yōu)良的調速性能，特別是鍋爐給水泵實(shí)現了自動(dòng)控制，能很好的滿(mǎn)足負載及工藝要求。

3)變頻系統各種保護功能可靠，從而消除了因電機過(guò)載或單相運行而燒毀電機的現象，確保了系統的安全運行。

4)實(shí)現了系統軟啟動(dòng)，減小了啟動(dòng)沖擊，延長(cháng)了設備使用壽命，減少了設備的維護和維修量，降低了維修費用。

5)改造后實(shí)現控制更方便、靈活，且自動(dòng)化水平高。減少了調節閥門(mén)的開(kāi)關(guān)次數，降低了員工的勞動(dòng)強度。

6)通過(guò)變頻改造精簡(jiǎn)了控制程序，使系統更安全、可靠，確保負載連續運行，并消除了電機的震動(dòng)，使運行更加穩定，操作更加方便，提高了生產(chǎn)效率，其綜合效益是十分明顯的。