变频器在煤气恒压控制系统中应用与实现

1　引言
　　随着电力电子技术的发展，变频器在各行业中已得到广泛的应用，变频调速技术应用于设备拖动系统中，实现了电机软启动、连续调速和节能运行目的。变频器的低频、低电流启动，使设备的机械冲击力显著降低，也避免了电机启动时对电网的影响；实现了异步电机的平滑调速功能；提高了设备的工艺性能，延长了使用寿命和实现节能运行。本文主要阐述应用变频器对热媒锅炉煤气恒压供给系统的控制原理和实现方法。
2　设备概况
　　煤气恒压供给是阳极成型热媒锅炉正常工作的重要因素之一。在实际中，由于煤气生产设备的不稳定性和用户的随机性，使煤气供给系统的压力波动较大（0.6～5.1kpa之间），对锅炉的稳定燃烧影响很大：煤气压力太低，会引起锅炉燃烧器熄火和热值降低等问题，导致热媒油温度的提高或供热不足，影响阳极质量和产能；过高会造成锅炉燃烧不充分，浪费燃料。为保障预焙阳极碳块成型正常生产，我厂一、二期成型热媒锅炉系统均设计了煤气增压装置。原煤气增压风机采用工频电源供电的交流异步电机拖动，挡板开度调节锅炉煤气流量，以实现锅炉稳定燃烧和温度控制。其控制原理是：当煤气进口管道内压力低于4.6kpa时，煤气增压风机自动启动运行；当进口煤气压力高于4.8kpa时，加压风机自动停机。这种增压控制方式，虽能保证热媒锅炉所需煤气供给，但风机长期工作在高转速（2924r/min）、低负载运行状态，风机机体、传动轴支撑轴承座等部件振动大（如附表所示），轴承磨损剧烈，其寿命很短。据维修统计，四套新轴承连续使用60～70天就得更换，风机故障率高、维修频繁、费用高；风机长期工作在低负载（或空载）状态，电能浪费大。故中国铝业青海分公司2005年5月，对热媒系统增压风机控制系统实施了变频器控制改造。实际证明，改造效果良好。

　　附表　煤气加压风机工频工作状态下的有关参数

 

　　注： 1、a项为负载端轴承座的径向振动值；b项为风机拖动端轴承座振动值。
　　2、风机轴承座振动超过13mm/s时，轴承温度升高到75℃以上，就会引起轴承座震裂、轴承抱死和风机叶轮出现裂纹等后果，故在日常点检中，当检测到其振动达到12mm/s时，就采取重点监护运行，并及时安排检修工作。
3　变频器控制系统设计
　　在系统设计中，通过对国内市场上多种变频器性能和控制特点比较，并结合增压风机的工作特点和实际现状，最终选择了abb公司生产的cas800系列的变频器。这种变频器除具有其它变频器的一般控制功能外，还具有pid控制、多信号输入、睡眠功能、设定值修正等多种控制功能，能很方便地实现煤气恒压控制系统。
　　3.1　系统配置
　　（1）风机拖动电机参数：型号qu180 m2bg；功率22kw；额定转2925r/min；额定电流42a；额定电压380v。
　　（2）变频器参数：cas800—30kva 380v。
　　3.2　控制原理
　　煤气风机拖动机构由一台22kw交流异步电机驱动，采用acs800-30kva变频器控制。风机变频器通过外部电位器设定值与煤气进口管道内压力实时测量值相比较，作为增压变频器调速初始给定信号，并通过pid调节功能修正后，作为实际频率控制给定值，实现风机转速调节，达到恒压控制的目的。其系统原理如图1所示；其变频器模拟信号接线如图2所示。

　　变频器pid控制功能，能很好地抑制煤气供应系统压力波动和风机喘振引起的压力抖动现象，抑制对变频器的扰动问题。通过大积分时间常数设定，使煤气压力扰动加入到系统的瞬间，积分不起作用，因积分调节作用是滞后的。调节器的滞后时间越大，调节速度越慢，这十分有利系统稳定，滞后性有减小波动，增加系统的抗干扰能力的作用。[page]
　　3.3　睡眠功能参数设定
　　根据实际监测和统计，煤气压力通常在夜间会升高（达到4.5kpa左右），会使电机工作在超低速状态，为节约电能，对变频器设置了睡眠功能控制。
　　恒压控制系统的睡眠功能设置原理：当煤气供应系统压力达到4.5kpa以上（煤气其它用户消耗量减少，会使煤气供给管网内压力增高）。这时为满足锅炉正常运行的压力要求，pid过程控制器就降低电机的转速，电机不会停止，而保持低速运转状态。由于管路存在的自然压力损耗和低速运行时，离心风机的低效率，变频器设定的压力值一般要求较高于实际所需压力值。当睡眠功能检测到这种低速情况时，经睡眠延时后，将停止这种超低速运转。在控制系统进入睡眠模式后，变频器仍然处在监视煤气压力状态。当压力低于最小允许值以下时，并经唤醒延时后，则重新启动风机工作。其睡眠控制逻辑关系如图3所示。

 

　　在图3中，其有关参数设定要求及实际设定值如下：
　　（1）40.21—睡眠设定值。如果电机速度低于此设定值（10hz），且在时间差内大于睡眠延时时间，则变频器进入睡眠模式；在睡眠模式下，电机停止运行。
　　（2）40.22—睡眠延时时间设定（20s）。当电机速度低于睡眠速度设定值时，计时器开始计时；当电机速度高于睡眠速度时，计时器复位。设定范围0.0—3600.0s。
　　（3）40.23—睡眠功能唤醒设定值。如果过程实际值低于设定值，且时间长于唤醒延时时间，则变频器就被唤醒。其设定范围0.0—100.0%（以过程给定值的百分比形式表示）。
　　（4）40.24—睡眠功能唤醒延迟时间。当过程实际值低于唤醒设定值时，计时器开始工作；当过程实际值高于唤醒值时，计时器复位。其设定值范围0.0—3600.0s。
　　（5）99.02—变频器控制模式。设定“3”时，则为pid控制模式。
　　其睡眠功能时序图如图4所示。

 

4　控制系统调试
　　变频调速控制系统设计、安装完成后，根据实际生产需要进行系统调试，以确保系统控制的实际效果。新系统最后的调试工作极为重要和关键，这也关系到整个改造工程的成败，根据实际生产，系统地进行参数修正，调整各项控制参数到最佳数值，才有可能充分发挥系统控制的先进性和优越性。
　　变频器的参数设置较简单，其主要是煤气进口压力信号作用后需要修改的有关参数设置。调试步骤如下：
　　（1）确定设定信号的范围。首先断开压力测量信号，将给定电位器调至最小，启动变频器运行（带载），缓慢增加给定电位器电阻至风机出口压力达到5.2kpa，测取电位器的实际阻值和电压值u（ai3、ai4端），并记录变频器的输出频率值。
　　（2）将压力信号接入控制系统，并使给定信号为u，设置pid的有关参数为一定值，缓慢增加压力，测取煤气进口压力对系统的影响程度（通过记录其对应的数据，可得出其线性关系），如果对给定值修正不理想，可重新设定pid参数（一般是改变比例常数），以求取最佳修正参数值。
　　（3）唤醒值的确定。将煤气进口压力提高到4.8
　　kpa，并使给定信号电压为u，启动系统工作，测取变频器的输出频率，再换算成实际给定量大小，即可得到唤醒值大小。
　　（4）系统投入运行后，必须验证实际干扰信号的影响程度，如系统震荡，如不稳定，可改变pid的微分、积分时间常数值，以确定实际需要的参数值。
　　（5）实际测得：给定最大电压为8.4v；当煤气压力为0.6kpa时，变频器输出频率为42hz；唤醒值设置为82%（实际运行值）。
　　（6）煤气恒压控制系统变频调试中注意的事项：加速时间要求尽可能的短（可减小系统滞后时间），因为设定过长，会使煤气压力突然大幅降低时，风机不能立即提速，造成锅炉熄灭；增加减速时间，能降低煤气供给压力波动和调速控制系统的干扰，对电机转速的调节，有助于煤气稳定、可靠地供给，也防止变频器频繁加、减速状态动作，导致变频器过热和保护功能动作。虽然这种设定牺牲了一些系统的动态响应性和跟随性，但却能很好地满足锅炉正常工作的安全性和稳定性。
　　实践证明，这种变频控制调节装置比较适合压力波动较大，且要求流量稳定、压力较高的供气用户。改造结果证明，效果良好，煤气压力控制指标满足锅炉正常运行的要求，热媒油温度调整迅速、稳定，燃烧充分，锅炉效率提高9%；日节电73kw.h以上。
5　结束语
　　应用变频器对热媒加压风机控制系统改造，实现了煤气恒压控制目的；提高了锅炉运行的安全性和稳定性，节约电能显著，据统计每月可节约用电2200kw.h，风机故障仃机率降至4h/月（改造前平均为23h/月左右）；风机传动轴承座轴承的更换周期延长到7个月以上（改造前平均为2个月）。并取得了以下好处：
　　（1） 改造实施难度低。适合企业自己施工改造，没有复杂的外部控制电路设计，调试方便。
　　（2） 控制参数易修改。通过变频器内部设定数据修改，就能实现控制系统各项参数的调整和优化。
　　（3） 改造费用低。只需购置变频器；许多原有的电器器件都得到了充分利用，如电机、压力传感器、控制箱、操作台等。
　　（4）维修工作少。改造两年来，其电器控制系统只进行了几次清灰和日常检查；系统工作稳定；风机维修费用每年减少1.8万元（购置轴承费用）。
　　（5）节约电能。在相同煤气消耗量和压力条件下，电机电流平均降低7.2a，电机温度降低8～11℃。[page]
变频器在液位自动控制中的应用及其节能效果 
1 引言
　　在工矿企业中大量地使用着风机、水泵、搅拌机、压缩机等，这些机械一般都以交流电动机驱动。其中大部分电动机均不是工作在额定功率，而经常只有额定功率的50%～70%，甚至更低一些（20%～70%）。但电动机大部分处在恒速运行状态，并以档板、阀门或放空回流的办法进行流量或压力的调节，从而白白损失大量的电能，功率越大的风机、水泵，损失的电能越多。
　　对于水泵和风机，表达其特性的参数有：流量（风量）q，扬程（风压）h，功率p等。
　　根据流体力学原理，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。如水泵的流量或风机的风量等调节，只需调节电机的转速就可以实现，而同时将大大降低电机的消耗功率，节约了电能。
　　根据电工学的基本原理，要改变电动机的转速，只要改变供电电源的频率或者改变电动机的极对数或者转差率就可以改变电动机的转速。
　　改变极对数进行调速从理论上讲效率最高，因为它没有额外的损耗，但对电动机的制造要求高，机械结构较为复杂，且属于有级调速，不灵活，因此较少使用。改变转差率，以往曾用过滑差电机，但由于电机结构复杂、故障率较高，维修困难，现也很少采用。改变频率进行调速，可以达到无级调速，在20世纪80年代初期在我国采用还不多，原因是变频装置本身的限制，后来随着微电子技术及功率器件特别是igbt功率器件的迅速发展，变频调速技术也得到了前所未有的发展，按目前技术的水平，不但调速精度达到了很高，而且损耗可以减少到最小（变频器效率可高达99%）。现在变频调速可以应用到各种规格的电动机中。
2 变频调速器的应用
　　变频调速器是一种高效节能调速装置，它以dsp或微处理器为核心，可为电动机运行于多种电气控制和具有报警功能，保障设备安全，延长使用寿命。特别是它可以根据设定信号调节电动机转速，实现生产自动控制，节电效果显著，可有力地促进企业节能工作的开展，因而在电机供电控制中得到广泛应用。下面以我厂催化装置中的轻柴油泵为例简单说明其应用。
　　2.1 控制流程简介
　　轻柴油泵采用一开一备的配置方式，共有p1205a/b两台泵。在正常情况下，一台运行另一台备用，主、备泵的切换通过人工方式手动实现。在供电控制方式上，p1205a实行常规电气控制，主电源直接供给电动机，p1205b实行变频调速控制，主电源经过变频后送给电机。系统调节参数为中间产品罐液位，测量位号为lt1206，pid调节回路调节阀lv1206。用控制电机转速和调节阀开度使液位lt1206稳定在给定值上，dcs上将原有的lc1206调节器组态位号改为lc1206a，新增一个pid调节器位号lc1206b（其组态内容与lc1206a一致），用lc1206b和变频器inverter控制电机转速或用lc1206a控制调节阀的开度使流量稳定在给定的值上。
　　2.2 控制方案的实施
　　该流量在dcs中的控制原理如图1所示。

 

　　控制过程如下：在正常情况下lc1206b调节回路输出4～20ma调节信号到变频器作为频率设定信号，变频器按照给定信号输出相应频率的电压电源，从而调节电机转速。同时lc1206a调节回路保持在手动方式，输出锁定在100%，控制泵出口调节阀处于全开位置，以便实现变频器控制流量的目的。在dcs上，在相应的流程图上对应p1205b位置组态了变频器调速图案，在变频器运行时，其状态显示为绿色，当变频器处于非运行状态（包括变频器故障和人为停机）时，其颜色为红色。
　　当变频器出现故障或人为将其切除时，流程图上变频器图案出现红色，工艺操作人员进行人工切换泵，lc1205b切到手动方式，lc1206a进入自动状态输出4～20ma信号，控制调节阀lv1206的开度，p1205a电动机以额定转速运行。
　　2.3 控制系统的组成
　　该控制系统包括工频控制系统和变频控制系统。工频控制系统由dcs中组态的控制器lc1206a，调节阀lv1206，电动机，柴油泵p1205a和液位测量lt1206组成，变频控制系统由dcs中组态的控制器lc1206b，变频器，电动机，柴油泵p1205b和液位测量lt1206组成。
　　2.4 变频器的选型和主要参数设定
　　笔者选用的变频器是深圳艾默生电气有限公司的td2000系列变频器。
　　型号：td2000-4t1100p；
　　适配电机：110kw；
　　电源输入：三相380v，50hz/60hz；
　　电网输入波动容许值：电压±20%;电压失衡率《3%;频率±5%。较进口变频器更能适合我国的电网情况。
　　输出电压：0～380v正弦波，频率0～400hz可调。
　　由于我厂是石油炼化企业，变频器安装在防爆区以外，变频器到机泵的距离较远，一般都在一百多米以外，所以笔者在配置时增加了相应的输出电抗器。
　　为了保证电动机的可靠运行，变频器的主要参数设定如下：
　　（1）上限频率f11设定为电动机的额定频率50hz，下限频率f12设定为5hz。
　　（2）v、f输出特性中最高频率f04及基本运行频率f05均设为电机额定值50hz，额定输出电压设定为380v。
　　（3）v/f曲线模式f07设定为1（因为是风机水泵类为平方转矩负载）。
　　（4）运行频率控制设定方式f00设定为3，模拟设定2（cci-gnd），用模拟电流/电压端子输入设定，范围dc0（2）-10v/0（4～20ma），选择电流输入4～20ma，此时将控制板上的电压/电流选择插件cn10的跳线选择1侧。
　　（5）运行命令选择f02设定为1，外部端子运行控制有效，即用操作柱来启动变频器。
　　（6）停机方式f30设定为1，外部端子运行控制有效，即用操作柱来仃止变频器。
　　（7）停机方式f30设定为0，选择自由运行停止。
　　2.5 应用效果
　　变频调速器投用后，控制回路的稳定性和可靠性比调节阀有明显提高，控制偏差保持在±1%以内，被控参数波动幅值较小。电机在变频调速器的控制下保持中速运行状态。在电机启动、控制过程中实行延时斜升、斜降，并且有输出短路、欠压、过流、过载过热等报警跳闸及在线故障诊断功能，保证其运行安全可靠，降低故障率，减少了设备损耗，尤其显著的是节能效果相当明显。在正常工况下，投用前后的电气参数如附表所示。

 

　　从附表中可以看出，使用变频器后功率节省38.72kw，按年运行8000h计算，每年可节省电能309760kw·h，若按电价0.35元/kw·h计算，每年节约电费10.8416万元。不到一年可收回投资。
3 结束语
　　实际应用证明，变频器的使用可取得意想不到的效果，特别是企业正在为降低生产成本提高经济效益而大量采用新技术的今天，变频调速技术以其良好的投入产出比，将会有更加广阔的应用前景。深圳艾默生电气的变频器是在消化各种变频器的基础上，根据我国电网波动范围较大的状况开发的，其功能齐全，性能稳定，到目前为止在我厂使用了12台艾默生td2000系列变频器，功率在90kw～250kw，运行一年多从未出现质量问题。