1 概述

　　在工業(yè)企業(yè)中，電機(jī)是應(yīng)用面最廣和數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一。目前，大量交流電機(jī)均工作在固定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這已愈來愈不能適應(yīng)生產(chǎn)工藝對(duì)于自動(dòng)化的要求。同時(shí)，其運(yùn)行在低功率因數(shù)和低效率的工況下，對(duì)電能是極大浪費(fèi)。

　　由于石化行業(yè)的日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)我廠石油化工產(chǎn)品的型號(hào)、質(zhì)量、數(shù)量等提出了新的要求。為了滿足這些工藝上要求， 在原驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，增加變頻器系統(tǒng)。這樣既可平滑改變物料的輸送量，滿足了生產(chǎn)工藝的要求，又達(dá)到了節(jié)能的效果。

　　在我廠常一線、常二中采用的變頻器系統(tǒng)，既是動(dòng)力源又是改變工藝參數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它取代了原有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——調(diào)節(jié)閥，使得介質(zhì)傳輸工藝過程控制發(fā)生了變革。

2 變頻器調(diào)速運(yùn)行時(shí)的節(jié)能原理

　　在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，各類泵的負(fù)荷選擇都大于生產(chǎn)實(shí)際需要的流量，而在實(shí)際運(yùn)行中，所需的流量往往比設(shè)計(jì)的流量小很多，如果所用的電機(jī)不能調(diào)速，通常只能通過調(diào)節(jié)閥門來控制流量，其結(jié)果在閥門上會(huì)造成很大的能量損耗。如果不用閥門調(diào)節(jié)，而是讓電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，那么，當(dāng)需要的流量減小時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，消耗的能量會(huì)明顯減小。

　　H（n1），H（n2）表示調(diào)速時(shí)的Q=f（H）曲線，R1、 R2表示閥門調(diào)節(jié)時(shí)的管路阻力曲線。閥門控制時(shí)，由于要減少流量，關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，Q2 →Q1， A→B，HA→HB閥門控制時(shí)功率消耗P1由0HBBQ1表示。當(dāng)調(diào)速控制時(shí)，Q2→Q1，A→C，HA→HC調(diào)速控制時(shí)功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1》P2則表示調(diào)速時(shí)功率消耗小于閥門節(jié)流時(shí)的功率消耗。

　　P=rQH 泵的軸功率

　　Q 流量 H 揚(yáng)程 r 液體重度

　　在B點(diǎn)和C點(diǎn)運(yùn)行時(shí) PB-PC=Q1（HB-HC）r 這部分就是所節(jié)約的電能。

　　對(duì)于泵負(fù)載，有如下表達(dá)式：

　　Q1/Q2 = n1/n2

　　H1/H2 = （n1/n2）2

　　P1/p2 = （n1/n2）3

　　由上式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降1/2時(shí)，流量下降1/2，壓力下降1/4，功率下降1/8， 即功率與轉(zhuǎn)速成3 次方的關(guān)系下降。如果不用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來，那么隨著泵的輸出壓力的降低，在輸送同樣流量的情況下，原來消耗在閥門上的功率就可完全避免。在不裝變頻器時(shí)，泵的出口流量靠出口閥控制調(diào)節(jié)。流量小時(shí)，靠關(guān)小閥門調(diào)節(jié)，增加了泵管壓差，使部分能量白白消耗在出口閥門上。使用變頻器后，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，泵揚(yáng)程也相應(yīng)降低，電動(dòng)機(jī)輸出功率也降低了，從而消除了原來消耗在泵出口閥上的管壓差。

3 變頻器系統(tǒng)的控制方案

　　我廠的常一線泵B109和常二中泵B114的電動(dòng)機(jī)功率分別為75kW和55kW，轉(zhuǎn)速2982轉(zhuǎn)/分，額定電壓380V，額定電流分別為132A和103A，額定出口流量分別為28.520M3/h和20M3/h。

　　在正常工作負(fù)荷情況下，電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速2982rpm，轉(zhuǎn)速不可調(diào)。為保持流量穩(wěn)定，采用控制出口閥門的方法進(jìn)行控制，即差壓變送器檢測(cè)流量信號(hào)送至PID調(diào)節(jié)器， 再由PID調(diào)節(jié)器輸出4-20mA控制信號(hào)，控制出口調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制出口流量，保持流量穩(wěn)定。原系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，存在以下問題：

　　（1） 節(jié)流量較大，泵出口閥的節(jié)流量已接近泵額定流量的一半，浪費(fèi)大量的電能。

　　（2） 控制精度低，出口流量波動(dòng)較大（約3％）。

　　（3） 電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，出力不變消耗電能。

　　（4） 電機(jī)噪音較大，泵和管線閥門壓力較大，易造成泄漏。

　　根據(jù)系統(tǒng)的上述工藝要求，我們對(duì)變頻器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遵循了以下原則：

　　a、 保持出口流量穩(wěn)定;b、 出口流量的控制精度0.5% ;c、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)在 0～2982轉(zhuǎn)/分;d、根據(jù)泵的工作特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)按恒轉(zhuǎn)距原則進(jìn)行;e、節(jié)能降耗;f、系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用工頻和變頻雙切換，保證的生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性，可以互為備用; g、采用兩路DCS輸出接點(diǎn)，一路控制原調(diào)節(jié)閥，一路控制變頻器，在變頻器故障狀態(tài)時(shí)，DCS能自動(dòng)識(shí)別變頻故障信號(hào)，然后切換到調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。而當(dāng)變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于全開位置;

　　遵照上述原則，經(jīng)過調(diào)研、比較，我們選擇了日本東芝A5P變頻器。該變頻器具有技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)，專為泵和風(fēng)機(jī)類負(fù)載設(shè)計(jì)。

　　FRH：頻率設(shè)定;ACC/DEC：加/減速控制電路;A/D：模數(shù)變換;V/F：壓頻變換;BD：基極驅(qū)動(dòng)電路;CPU：微處理器;LED：顯示電路 。

　　變頻器的主電路為典型的“交—直—交”SPWM電壓型主電路。

　　變頻器的控制電路：頻率給定FRH（即速度給定）經(jīng)過ACC和DED加減速控制電路，變成頻率和電壓基準(zhǔn)信號(hào)，分別經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路和V/F函數(shù)發(fā)生器電路，再進(jìn)入CPU內(nèi)，形成SPWM脈沖，成為IGBT的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，從而使電壓恒定、頻率恒定的交流電，經(jīng)過變頻器后，變成了電壓和頻率可調(diào)的交流電。A5P變頻器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。整個(gè)控制系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行采樣、計(jì)算、實(shí)時(shí)控制、事故報(bào)警和顯示。

4 變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行情況

　　1997年7月，我廠在常一線泵和常二中泵電機(jī)上安裝東芝A5P變頻器后，運(yùn)行情況與工頻比較，如下所示：

　　（1） 電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和節(jié)能情況的比較

　　節(jié)電功率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×168））×1.73=16846（W）

　　節(jié)電率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×158））/（39.16×0.82×380）=79%

　　節(jié)電功率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））×1.73=19688 （W）

　　節(jié)電率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））/（44.6×0.8×380）=83%

　　從比較表可以看出，使用變頻器后既可滿足生產(chǎn)需要，又可大量節(jié)能。

　　（2） 控制精度的比較

　　在相同的工藝條件下，采用工頻和變頻運(yùn)行時(shí)，泵的出口流量波動(dòng)曲線分別如上圖4所示。所以泵采用變頻調(diào)速后，流量控制精度非常高，記錄儀記錄的曲線為一條非常平穩(wěn)的記錄線。

5 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

　　變頻器投入運(yùn)行以來，運(yùn)行可靠，自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　（1） 工藝控制平穩(wěn)：由于變頻器的高精度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)有高速傳遞性，減少了以前儀表控制帶來的滯后現(xiàn)象，從而使系統(tǒng)控制精度提高，壓力穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。

　　（2） 節(jié)能效果顯著：按年8000小時(shí)計(jì)算，泵114/1年節(jié)約電量：節(jié)電率×電動(dòng)機(jī)工頻功率×工作時(shí)間＝79%×21.11千瓦×8000小時(shí) ＝133415千瓦時(shí) 泵109/2年節(jié)約電量：節(jié)電率×電動(dòng)機(jī)工頻功率×工作時(shí)間＝83%×23.45千瓦×8000小時(shí) ＝155708千瓦時(shí) 泵114/1和泵109/2共節(jié)約電費(fèi)：節(jié)電量×電價(jià)=289123×0.50＝144561元 變頻器改造費(fèi)用為15萬(wàn)元，所以只需1年左右，就可收回投資。

　　（3） 維護(hù)量減少：由于出口閥全開，電動(dòng)機(jī)降速運(yùn)行，使得管網(wǎng)壓力下降，減少了工藝設(shè)備的泄漏，降低了機(jī)泵磨損，降低了電機(jī)的溫升，設(shè)備維護(hù)周期延長(zhǎng)。由于變頻器代替了調(diào)節(jié)閥，解決了由于調(diào)節(jié)閥故障高給生產(chǎn)帶來的影響，使儀表的維護(hù)量減少。

　　（4） 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)：由于變頻器具有軟起動(dòng)功能，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

6 變頻器應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題

　　（1） 用變頻器時(shí)一定要滿足工藝的要求，在某種特定環(huán)境下，老裝置的機(jī)泵因揚(yáng)程、流量所限制，變頻器不一定適用，且非變工況運(yùn)行的機(jī)泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而應(yīng)從工藝條件、機(jī)泵本身的參數(shù)出發(fā)而定。

　　（2） 變頻器調(diào)速時(shí)，需要電氣、儀表、工藝、設(shè)備各專業(yè)人員密切配合，以保證變頻器安全運(yùn)行。工程技術(shù)人員在安裝投用前要對(duì)有關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)。

　　（3） 大多數(shù)生產(chǎn)裝置的儀表控制閥大多采用風(fēng)關(guān)閥。采用變頻器后，風(fēng)關(guān)改為風(fēng)開調(diào)節(jié)，需要注意，以免造成事故。