第5章变频器的应用举例

第5章变频器的应用举例

§5.1交流变频调速在空调中的应用§5.2变频调速在恒压供水系统中的应用§5.3工业锅炉燃烧过程的变频调速系统§5.4印染机械多电机同步调速系统§5.1交流变频调速在空调中的应用5.1.1集中变频空调目前为了保证产品质量，纺织厂要求具有一定温湿度，纺线才不会断。集成电路生产厂、医药、食品厂要有一定洁净度，才能生产出合格的产品。这些厂都要采用集中空调，但空调的环境空气温度是随春、夏、秋、冬四个季节变化的，而且用空调送风的房间也不一样，所以世界上比较先进的国家都采用变风量空调，以达到节能的目的。变风量空调可以通过变频器改变风机电动机的转速来调节风量。同时还可调节冷水泵控制送风温度。集中空调构成示意图如图5.1.1所示。回风一次加热二次加热加湿喷淋降温集中空调器送风机B压力传感器变频器变频器风量传感器75kW150kW电源冷冻水冷冻回水空调房间送风冷水泵图5.1.1集中空调风量调节示意图3～M3～M空调机将外面的新鲜空气吸入，进行过滤、冷热交换后送到楼房内。用变频器对空调机的送风机进行风量控制，可以达到节能的目的。吸进的新鲜空气由空调机冷却或加热后，通过空调机送入室内。由于所需要的空气量随楼内的人数及昼夜大气温度的变化而不同，所以与此相应地对风量进行调节可以减少输出风机的能耗并调整空调机的热负载。在人少的时间，如周末、星期天、节假日，需要风量也小。因此按适当的运行模式改变送风机转速，控制送风量，就可以做到不仅减少送风机电机的能耗，还可以减轻暖气时锅炉的热负载和冷气时制冷机的热负载。热负载的变动理所当然会引起冷水循环量的增加或减少，但任随其压力变化或只调节出水阀会造成很大的压力损失，使效率变低。如果对冷水泵进行转速控制，以保持最佳压力，就可以防止发生使效率低下的压力损失，取得节能的效果。根据这个目的，对已有的冷水泵进行调整控制时，变频器控制方式较其它调速方式更容易，也更经济。通常的送风机只是由工频电源恒速运转，设有风门控制进风量，节能很少。引入变频器后，作为备用，保留了常规由工频电源运转的旁路系统。变频器根据PID调节器的信号进行速度调节，冷水泵用压力进行PID调节。如果该楼房用作商店或办公室，楼内人员以一星期为周期随时间带的不同而变化。因此如图5.1.2所示，按平时、星期六、星期天与节假日分为三个运行模式，送风机的进风量根据二氧化碳浓度等环境标准来确定其最少必需量。现有设备的送风机由于设计时留有一定裕量，因此按高速时86%、中速时67%、低速时57%的进风量（转速）来设定。89101112131415161718192021222324h86%86%67%67%57%86%67%57%57%57%86%平时星期六星期日节假日接入变频器前接入变频器后图5.1.2运行模式风量比89101112131415161718192021222324h89101112131415161718192021222324h节能效果有：送风机电机能耗的减少，暖气锅炉热负载以及冷气时制冷机热负载的减小，用变频器控制电机转速来调节进风量，由于所需轴功率与转速的三次方成比例减小，输入电能也与此相应的减少。按图5.1.2的运行模式计算接入变频器前和接入后的电能消耗，其结果如表5.1.1所示，年节电量为74600KW·h，节省电费3万余元。表5.1.1节能效果必需风量(%)运行时间(h/年)接入变频器前接入变频器后节能效果备注输入功率(kW)用电量(kW·h/年)电费(元/年)输入功率(kW)用电量(kW·h/年)电费(元/年)节能量(kW·h/年)电费(元/年)866757272272072040.740.740.7110790293002930057610152361523628.017.68.276220126705900396345688306834570166302340017976864812168电费按0.52元/kW·h计算合计4162—16939088082—94790483907460038792—另外，引入变频器前不必要的加热或冷却空气所需费用的减少如表5.1.2所示，因此与前面金额合计，年节能总额大约为12万元。表5.1.2空气减少后冷热相应减少量减少冷热量(GJ)能量单价(元/GJ).减少费用(元)冷气减少量100909000暖气减少量72010072000水泵采用变频器调速后，改变了原来输出流量在2500L/min以下时用75kW的电机运转，超过2500L/min时用150kW电机运转的方式。接入变频器前、后运行所需电量比较如表5.1.3所示。根据比较结果，按电费单价0.52元/kW·h计算，年节电效益为0.52（元/kW·h）×49200（kW·h）=25584元另外，对于这种系统，实际扬程对全扬程的比率越小，节能效果越大。这里所介绍的例子，其比率约为50%，相对所需流量、电机输入功率如图5.1.3所示。电机输入功率/额定值(%)110100908070605040302010010305070100流量/额定值(%)阀门控制调速控制图5.1.3阀门控制与调速控制的电机输入功率表5.1.3节能效果运行模式所需能量节能效果接入变频器前接入变频器后输出流量(L/min)运行时间(h/年)75kW电机输入(kW)150kW电机输入(kW)200kVA变频器输入(kW)节电率(%)节电量(kW·h)3800750—1218734255002500850083—602319550175050062—50126000750050033—36.7-3.7-1850年节电量(kW·h)492005.1.2家用空调家用空调有移动式、窗台式和分体式。分体式空调也可分为一个房间、二个房间、三个房间用的。现在将分体式一个房间用的空调采用变频器调节控制情况介绍如下。过去一般房间用的空调是采用ON/OFF控制方式，用笼型电机带动压缩机来调节冷暖气，但它存在着下述问题：（1）根据地区气候、房屋的朝向等估计一年中最大负载，从而选择恰当的空调机比较困难。（2）由于是ON/OFF方式运行，室内温度和湿度会发生波动，引起不舒适感。（3）在50/60Hz地区会产生较大差别。（4）压缩机电机在起动时有很大的冲击电流，因此需要比连续运行时更大的电源容量。（5）由于压缩机转速恒定，外面温度变化会引起冷暖空调能力的变化（特别在暖气运行时，外面气温下降会导致暖气效果下降，这是很大的弱点）。将变频器应用于房间空调可连续地控制笼型电机的转速，解决上述问题。变频器控制框图如图5.1.4所示。室内部分以室内控制部为中心，由遥控、传感器、显示器和风机电机驱动回路组成。温度和湿度数据及运行模式等设定条件以序列信号的形式送往室外部分。室外部分以系统控制部为中心，由整流单元、逆变单元、电流传感器、室外风机电机及阀门控制部分组成。室内部分室外部分室内控制部遥控传感器显示器热敏电阻四通阀二通阀噪声滤波器整流二极管平波电容器输出晶体管～数字控制(波形形成)室外风机电机逆变器部分室内风机电机整流器交流电源电流检测电阻图5.1.4变频器控制框图压缩机电机系统控制部(微机部)M3～M3～M3～房间空调的室内部分备有室温传感器，并将设定温度和运行情况等信息传送给室外部分。室外部分则分析这些信息，了解温差与室温变化的时间等，然后计算并指定压缩机电机的频率。开始运行时，如果室温与设定温度差别很大，采用高频运行，随着温度差的减小采用低频运行。另外，在室温急剧变化时使频率也大幅度变化，缓慢时使频率小范围变化，并在平衡冷暖气负载与压缩机输出的同时，以最短时间使室温达到希望值。使用变频器控制空调可以达到以下效果：（1）利用变频控制节能房间空调一年的运行模式基本上是在轻负载下运行。变频器的容量控制在负载下降时使压缩机能力也下降，以此来保持与负载的平衡。（2）压缩机ON/OFF损耗减少由于使用变频器控制的空调可用变频来对应轻负载，所以可减少压缩机开停次数，使制冷回路的制冷剂压力变化引起的损耗减少。（3）舒适性改善与通常的热泵空调相比，装上变频器后，在室外气温下降、负载增加时压缩机转速上升，能提高暖气效果。（4）消除50/60Hz地区的能力差由于变频器控制的空调在原理上是先将交流变为直流再产生交流，所以与50Hz和60Hz的地区差无关，始终具有最大能力。（5）起动电流减小由变频器控制的空调在起动压缩机时，选择较低电压及频率来抑制起动电流，并获得所需起动转矩，所以可防止预定导通电流的增加。§5.2变频调速在恒压供水系统中的应用5.2.1恒压供水的意义所谓恒压供水是指通过闭环控制，使供水的压力自动地保持恒定，其主要意义是：1、提高供水的质量用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水压力上，即用水多而供水少则压力低；用水少而供水多则压力大。保持供水的压力恒定可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水质量。2、节约能源用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分明显。3、起动平稳起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免起动时对电网的冲击，对于比较大的电机，可省去降压起动的装置。4、可以消除起动和停机时的水锤效应电机在全压下起动时，在很短的起动时间里，管道内的流量从零增大到额定流量，液体流量十分急剧的变化将在管道内产生压强过高或过低的冲击力，压力冲击管壁将产生噪声，犹如锤子敲击管子一般，故称水锤效应。采用了变频调速后，可以根据需要，设定升速时间和降速时间，使管道系统内的流量变化率减小到允许范围内，从而达到完全彻底地消除水锤效应的目的。5.2.2恒压供水的主电路通常在同一路供水系统中，设置两台常用泵，供水量大时开2台，供水量少时开1台。在采用变频调速进行恒压供水时，为节省设备投资，一般采用1台变频器控制2台电机，主电路如图5.2.1所示，图中没有画出用于过载保护的热继电器。KM1KM2KM3KM4QS图5.2.1恒压供水系统主电路图变频器

RSTUVWM1

M2

3～

3～

控制过程为：用水少时，由变频器控制电动机M1进行恒压供水控制，当用水量逐渐增加时，M1的工作频率亦增加，当M1的工作频率达到最高工作频率50Hz，而供水压力仍达不到要求时，将M1切换到工频电源供电。同时将变频器切换到电动机M2上，由M2进行补充供水。当用水量逐渐减小，即使M2的工作频率已降为0Hz，而供水压力仍偏大时，则关掉由工频电源供电的M1，同时迅速升高M2的工作频率，进行恒压控制。如果用水量恰巧在一台泵全速运行的上下波动时，将会出现供水系统频繁切换的状态，这对于变频器控制元器件及电机都是不利的。为了避免这种现象的发生，可设置压力控制的“切换死区”。如所需压力为0.3Mpa，则可设定切换死区范围为0.3～0.35Mpa。控制方式是当M1的工作频率上升到50Hz时，如压力低于0.3Mpa，则进行切换，使M1全速运行，M2进行补充。当用水量减少，M2已完全停止，但压力仍超过0.3Mpa时，暂不切换，直至压力超过0.35Mpa时再行切换。另外，两台电动机可以用两台变频器分别控制，也可以用一台容量较大的变频器同时控制。前者机动性好，但设备费用较贵，后者控制较为简单。多台电动机使用一台变频器的切换方式与上类似。5.2.3采用PID调节的控制方案图5.2.2是采用了PID调节的恒压供水系统控制线路示意图。供水压力由压力变送器转换成电流量或电压量，反馈到PID调节器，PID调节器将压力反馈信号与压力给定信号相比较，并经比例（P）、积分（I）、微分（D）诸环节调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制了水泵的转速和泵水量。PID调节器的功能简述如下：1、比较与判断功能设压力给定信号为xp1，压力变送器的反馈信号为xf，PID调节器首先对上述信号进行比较，得到偏差信号△x△x=xp1-xf接着根据△x判断如下：KM1可编程控制器PID调节器远传压力表变频器控制端子KM2KM3KM4KM2KM1KM3KM4LNSA1SA2SB1SB2SB3SB4管道图5.2.2恒压供水系统控制线路示意图自动手动△x为“+”，说明供水压力低于给定值，水泵应升速。△x越大，说明供水压力低得越多，应加快水泵的升速。△x为“－”，说明供水压力高于给定值，水泵应减速。│△x│越大说明供水压力高出越多，应加快水泵的减速。图5.2.3a所示是用水量从Q1增大至Q2的情况，图5.2.3b所示，是PID调节器中得到偏差信号的情形。用水量Q增大了，引起供水不足，供水压力下降，于是出现了偏差信号△x。图中，供水压力用与之对应的压力信号xp来表示。xp的大小与供水压力成比例，但具体数值因压力变换器型号的不同而各异。仅仅依靠△x的变化来进行上述控制，虽然也基本可行，但在△x值很小时，反应不够灵敏，不可能使△x减小为0，而存在静差ε。2、P（比例）功能简略地说，P功能就是将△x值按比例放大。这样，△x值即使很小，也被放大得足够大，使水泵的转速得到迅速的调整，从而减小了静差ε。但是，另一方面，P值设定得大，则灵敏度高，供水压力xp到达给定值xp1的速度快。但由于拖动系统有惯性的原因，很容易发生超调（供水压力超过了给定值）。于是又必须向相反方向回调，回调也容易发生超调，……。结果，使供水流量Q在新的用水流量值处振荡，如图5.2.3c所示；而供水压力xp则在给定值xp1处振荡，如图5.2.3d所示。Q0ta)xp0tb)ΔxQ0tc)xp0td)Q1Q2xp1Q0te)0tf)Q0tg)0th)xpxpa)用水压力增大b)供水压力下降c)P调节后的供水流量d)P调节后的供水压力e)PI调节后的供水流量f)PI调节后的供水压力g)PID调节后的供水流量h)PID调节后的供水压力

图5.2.3PID功能示意图3、I（积分）功能振荡现象之所以发生，主要是水泵的升速过程和降速过程都太快的缘故。I（积分）功能就是用来减缓升速和降速的功能，以缓解因P功能设定过大而引起的超调。I功能和P功能相结合，即为PI功能。图5.2.3e所示为经PI调节后的供水流量Q的变化情形；而图5.2.3f所示则是经PI调节后供水压力xp的变化情形。但是，I值设定过大，会拖延供水流量重新满足用水流量（供水压力重新达到给定值）的时间。4、D（微分）功能为了克服因I值设定过大而带来的缺陷，又增加了D（微分）功能。D功能是将x的变化率（dx/dt）作为自己的输出信号。当用水流量刚刚增大、供水压力xp刚下降的瞬间，dx/dt最大；随着水泵转速的逐渐上升，供水压力xp的逐渐恢复dx/dt将逐渐衰减。D功能和PI功能相结合，便得到PID调节功能。D功能加入的结果是，水泵的转速将首先猛升一下，然后又逐渐回复到只有PI的状态，从而大大缩短了供水压力xp回复到给定值的时间。图5.2.3g所示是经PID调节后的供水流量Q的变化情形，图5.2.3h所示则是经PID调节后供水压力xp的变化情形。水泵电机M1和M2的工作状态由可编程控制器（PLC）控制与切换。为了使变频器发生故障时不影响正常供水，系统增加了手动功能，只要将转换开关拨到“手动”，M1与M2就转换到工频电源供电，且开停完全由手动控制。§5.3工业锅炉燃烧过程的变频调速系统工业锅炉根据采用的燃料不同，通常分为燃煤、燃油和燃气三种。这三种锅炉的燃烧过程控制系统基本相同，只是燃烧量的调节手段有所区别。对工业锅炉燃烧过程实现变频器调速主要是通过变频器调节送风机的送风量、引风机的引风量和燃料进给量。下面以20t燃煤蒸汽锅炉为例介绍变频器的应用。5.3.1燃煤蒸汽锅炉燃烧过程由于蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，所以控制起来非常困难。我们以燃烧过程控制系统