变频器及其在污水处理中的应用

会计学1变频器及其在污水处理中的应用变频器概述变频器在污水处理中的应用变频器及其在污水处理中的应用第1页/共22页变频器概述1、变频器的基本概念2、变频器的基本运行原理3、变频器的组成4、变频器的作用5、变频器的历史6、变频器技术发展方向预测第2页/共22页什么是变频器？变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异变频器步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。它的英文译名是VFD（Variable-frequencyDrive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器的基本概念第3页/共22页1.概述

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:(1)电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。(2)电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。2.整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。变频器的基本运行原理第4页/共22页3.平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。4.逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。变频器的基本运行原理第5页/共22页变频器的基本运行原理交-直-交变频器的主要结构框图第6页/共22页变频器的基本运行原理交-直-交变频器原理图第7页/共22页变频器的组成变频器，通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元，将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容，存储转换后的电能。逆变器，由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器，按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。变频器的组成第8页/共22页变频器的作用

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。变频器的作用第9页/共22页变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM－VVVF)调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场变频器的历史第10页/共22页变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣：一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗如何。变频器技术发展方向预测返回目录第11页/共22页一、变频器在污水处理设备上的应用变频器在鼓风机上的应用变频器在潜水泵上的应用变频器变频调节的节能原理二、污水处理工艺过程（活性污泥处理方式）三、变频器系统应用效果变频器在污水处理中的应用第12页/共22页1.变频器在鼓风机上的应用污水处理厂最好的节电场合是曝气机的鼓风机（有些是采用搅拌机来曝气），节电率更高,污水处理厂的设备是全天候运转的，而且曝气机和潜水泵是污水处理的核心设备，需要用变频器对曝气机的鼓风机（罗茨风机）和潜水泵进行调速。变频器在污水处理设备上的应用第13页/共22页鼓风机变频控制：污水处理好氧部分溶解氧浓度对处理结果有很大影响，溶解氧浓度太低，污水不能达标；溶解浓度太高，不仅浪费电能还可能使活性污泥上浮使出水也不能达标。鼓风机加变频器就是为了控制CASS池溶解氧的浓度稳定在恒定值.考虑到实际应用中只可能一台是变频运转，另一台停止或工频运转，同时为了减少固定资产投资，设计了2台风机只用一台变频器控制，刚曝气时，一台风机变频运转，如果该风机运行到50HZ后，溶解氧浓度仍没达到设定值，该变风机自动投到工频(50HZ)继续运转，第二台风机自动投到变频运转，在PID自动控制下直到溶解氧浓度稳定在设定值。当溶解氧浓度大于设定值,且变频风机频率低于一定频率,工频风机自动切断,只有变频风机运转。变频器在污水处理设备上的应用第14页/共22页2.变频器在潜水泵上的应用起动时的电流冲击及调节压力/流量的方式与鼓风机相似。潜水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，且电机起动/停止时需开启/关闭阀门来减小水锤的影响，如此操作一方面工作强度大，且难以满足工艺的需要。在潜水泵安装变频调速器以后，可以根据工艺的需要，使电机软启/软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下，可以降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化，而且变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击，并且具

有明显的节电效果。变频器在污水处理设备上的应用第15页/共22页3.变频调节的节能原理：

图2中曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5表示恒速时功率-流量曲线，设A点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满变频器在污水处理设备上的应用足同样风量Q2情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。节省的功率损耗△P＝△HQ2与图中面积BH2H3C成正比。第16页/共22页由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0％～100％，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律：Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3。

变频器在污水处理设备上的应用第17页/共22页可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。假设将水泵转速降低10%（输出频率45Hz时）

则功率P2=（0.9）×P1=0.73P1,节电27%。

假设将水泵转速降低20%（输出频率40Hz时）

则功率P2=（0.8）³×P1=0.51P1,节电49%。由于功率与转速成三次方的关系，因此，转速变化越大，功率的消耗将呈几何级数减少。

变频器在污水处理设备上的应用第18页/共22页污水处理工艺过程（活性污泥处理方式）污水处理工艺过程第19页/共22页二、系统应用效果

污水处理厂中的鼓风机和潜水泵在使用了一系列变频器以后，不但免去了许多繁琐的人工操作，以及一些不安全隐患因素，并使系