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一.              概述

在我國的制糖行業(yè)中，很多重要的生產(chǎn)設備均為高能耗設備，設備的電力拖動離不開調(diào)速，受設計時的技術條件的限制，很多設備的拖動調(diào)速在設計時大都采用能耗調(diào)節(jié)，交流電動機變頻調(diào)速是在現(xiàn)代微電子技術基礎上發(fā)展起來的新技術，它不但比傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速優(yōu)越，而且也比調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速方式優(yōu)越。它的特點是調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高特性好、結構簡單、機械特性硬、保護功能齊全，運行平穩(wěn)安全可靠，在生產(chǎn)過程中能獲得最佳速度參數(shù)，是理想的調(diào)速方式。應用實踐證明，交流電機變頻調(diào)速一般能節(jié)電 30%左右，目前工業(yè)發(fā)達國家已廣泛采用變頻調(diào)速技術，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術。變頻器應用在制糖工業(yè)的風機、水泵、壓榨機、離心機等負載，能取得了顯著的節(jié)能效果。

二．生產(chǎn)供水節(jié)能改造方案

1．原供水系統(tǒng)工況

   原供水系統(tǒng)由二路管網(wǎng)系統(tǒng)組成，第一路管網(wǎng)供水水泵六臺，水泵電機分別為：110KW五臺、75KW一臺；第二路管網(wǎng)水泵六臺，水泵電機分別為：155KW五臺、220KW一臺。水泵投切依靠值班人員根據(jù)壓力進行投切，水壓隨用生產(chǎn)用水量的變化及泵組的投切變化較大，泵組投切對電網(wǎng)的沖擊影響很大，根據(jù)生產(chǎn)工藝對水壓及流量的要求，需要開回流閥進行調(diào)節(jié)。

2．變頻節(jié)能改造方案

   由以上系統(tǒng)工況可知，該系統(tǒng)適于作變頻節(jié)能改造，改造方案如下：

系統(tǒng)部分采用變頻控制，在每一管網(wǎng)上按裝壓力傳感器，即時檢測管網(wǎng)水壓，根據(jù)生產(chǎn)用水量的變化變頻控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉速從而控制系統(tǒng)供水量，保證管網(wǎng)水壓的恒定。第一路管網(wǎng)由110KW變頻節(jié)能系統(tǒng)控制兩臺水泵電機，一用一備，其余四臺工頻控制；第二路管網(wǎng)由220KW節(jié)能變頻系統(tǒng)控制一臺220KW水泵電機及一臺155KW水泵電機，一用一備，其余四臺工頻控制。改造后節(jié)電效果顯劇，恒壓供水，極大地改善了生產(chǎn)工藝。改造系統(tǒng)控制圖如下：

3．變頻改造節(jié)能原理

(1) 泵類的特性和參數(shù)
純粹用于抽水的功率叫有效功率
有效功率=(1000QH)/(75×60/0.736)=QH/6.11(kW)
式中，Q為流量(m3/min);H為總揚程(m)。
設在揚程內(nèi)1m3的水的重量為1000kg，因此:
泵的軸功率=(有效功率)/ 泵的效率(kW)
電動機輸出功率=(1.05～1.2)×軸功率(kW)
    因泵的揚程大小、泵的型號不同，泵的效率不能一概而定，一般標準泵的大致效率曲線如圖2所示。
    鑒于泵的設計與制造方面會有誤差，故電機的輸出功率應較軸功率計算值有5～20%的裕量，而后根據(jù)流量和揚程求出電動機的功率，圖3為流量和揚程特性曲線。

圖2     一般標準泵的效率     圖3  流量和揚程特性曲線

 (2) 管網(wǎng)的水阻特性
    當管網(wǎng)的水阻R保持不變時，水量與過水阻力之間的關系是不確定的，即水量Q與過水阻力h按阻力定律變化，其表達式為:
           
式中，H—過水阻力，R—水阻系數(shù)。
H=f(Q)關系曲線為水阻特性曲線，呈拋物線形狀，如圖4所示。由圖4可知，水阻系數(shù)R越大，曲線越陡，即過水阻力越大。
 (3) 泵類調(diào)速控制節(jié)能原理
    由流體力學可知，水量Q與轉速的一次方成正比，壓力H與轉速的平方成正比，功率P與轉速的立方成正比。
  
式中: Qe—風機、泵類的額定風(流)量;
 He—風機、泵類的額定壓力;
 Pe—風機、泵類的額定功率;
 ne—風機、泵類的額定轉速。
    由上面的公式可知，如果泵類的效率一定，當要求調(diào)節(jié)水量下降時，轉速可成比例下降，此時水泵的軸功率是成立方關系下降。
    另根據(jù)水泵類的特性曲線與水阻特性的關系曲線也可明顯的看出風機、水泵的節(jié)能效果。圖5為風機、水泵調(diào)速節(jié)能原理示意圖，圖中曲線H為恒速下的H-f(Q)曲線，其水阻、風阻特性曲線R1相交與A點。對應的風量為Q1。此時風機、水泵的軸功率Q1AH1Q圍成的矩形面積成正比。當欲使風量由Q1減少到Q2使用擋板或閥門時，則新的風阻、水阻特性曲線H相交于B點，此時風機軸功率與Q2BH2Q圍成的矩形面積成正比。如果采用調(diào)速方法將風機、水泵的轉速降到n2使對應的風機特性曲線H與風阻特性曲線R2相交于C點。此時與風機軸功率成正比的Q2CH3Q圍成的矩形面積顯著減少，說明軸功率下降很多，節(jié)能效果明顯。

 

  圖4    水阻特性圖         圖5    水泵調(diào)速節(jié)能示意圖

4． 系統(tǒng)主要功能

1)    恒壓供水功能

ALPHA6000變頻系統(tǒng)內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器，管網(wǎng)壓力傳感器即時檢測管網(wǎng)壓力并轉化為4-20 mA電流信號，直接送入變頻器模擬電流輸入口，設定給定壓力值，PID參數(shù)值，變頻器內(nèi)置PID運算后控制輸出頻率。系統(tǒng)參數(shù)可在實際運行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應快速。管網(wǎng)壓力可根據(jù)生產(chǎn)工藝任意給定，變頻系統(tǒng)自動跟隨控制，保持管網(wǎng)設定的壓力恒定，既節(jié)能又能最好地滿足制糖生產(chǎn)對水壓的要求。

2)    泵組投切指示

系統(tǒng)能即時檢測供水管網(wǎng)水壓，當現(xiàn)有泵組不能滿足生產(chǎn)用水需要或超過生產(chǎn)用水需要時，系統(tǒng)能自動發(fā)出投入或切除泵組指示，給出聲光投切泵組報警，指示值班人員投切泵組，從而保證生產(chǎn)用水的需要。

3)    工變頻切換功能

制糖工業(yè)供水系統(tǒng)可靠性要求高，一旦故障會影響對整個生產(chǎn)帶來嚴重的影響，因此該系統(tǒng)設置了工變頻切換功能。系統(tǒng)在一般情況下運行在變頻恒壓供水狀態(tài)，當變頻器萬一出現(xiàn)故障或例行檢修時，可立即切換到工頻運行，用原有備用自耦降壓啟動系統(tǒng)啟動水泵，從而保證供水的連續(xù)性，整個系統(tǒng)的可靠性能很好地滿足生產(chǎn)的要求。兩套啟動系統(tǒng)電氣聯(lián)鎖，可防止誤操作，確保系統(tǒng)的安全運行。

5．改造后受益

1)    延長設備及管網(wǎng)使用壽命，減少系統(tǒng)維修工作量。

由于采用變頻恒壓控制，水泵的啟動為軟啟動，消除了大電機啟動時沖擊力矩對電機的影響，水泵在啟動時的沖擊大為減少，同時由于軟啟動且水壓為恒壓控制，消除了啟動時對管網(wǎng)的水錘效應，爆管現(xiàn)象不再發(fā)生。因此延長了原有設備的使用壽命，故障率大為降低，減少系統(tǒng)維修的工作量。

2)    改善供水質(zhì)量，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

      采用變頻恒壓控制系統(tǒng)后，可以非常平滑地調(diào)節(jié)供水壓力，值班人員對系統(tǒng)的調(diào)整控制更加穩(wěn)定自如。隨著生產(chǎn)工藝的變化，可以很方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力。由于采用新系統(tǒng)后，故障率大為降低，且兩套啟動系統(tǒng)可以互為備用，保證了系統(tǒng)供水的連續(xù)性，為系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化運行提供了可靠保證。

3)    改善工廠的用電狀況。

采用變頻軟啟動后，消除了原啟動系統(tǒng)啟動時對電網(wǎng)的沖擊，新系統(tǒng)的功率因數(shù)可達0.95，效率可達0.98，系統(tǒng)工作電流大為減小，線路損耗也大為減少，改善了工廠用電的狀況。

4)    節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益可觀。

      原系統(tǒng)運行時為維持水壓的基本恒定，除需要不斷反復投切泵組外，還需利用回流閥進行小范圍調(diào)節(jié)，水泵的投切除對電網(wǎng)有沖擊外還需消耗電能，回流閥調(diào)節(jié)基本不會減少水泵功率的消耗。采用變頻后，變頻泵組能自動根據(jù)生產(chǎn)所需的水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉速，保持管網(wǎng)壓力的恒定，變頻泵組調(diào)節(jié)即時范圍寬，泵組投切次數(shù)大大減少，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，平均下來整個系統(tǒng)的節(jié)電率在30%左右，經(jīng)濟效益可觀。

5)    減輕值班人員的工作強度

原系統(tǒng)經(jīng)過改造后，管網(wǎng)水壓自動檢測控制，回流閥無需調(diào)節(jié)，泵組投切有聲光告警指示，值班人員不會擔心因沒有及時地投切補給泵組、開啟回流閥而導致的水壓過低或過高影響生產(chǎn)事故。

三．鍋爐變頻節(jié)能改造方案

1．原系統(tǒng)工況

鍋爐共三臺，供水由兩臺280KW水泵組成，兩水泵并網(wǎng)由兩只電動閥調(diào)節(jié)進水和回流量；引風機由兩臺250KW風機組成，兩風機并網(wǎng)，獨立電動風門調(diào)節(jié)，風門開度在75%左右；鼓風機由1臺160KW風機組成，電動風門調(diào)節(jié)，風門開度在60%左右，二次風機由一臺55KW風機組，風門調(diào)節(jié)，風門開度60%左右。

2．變頻節(jié)能改造方案

1)    鍋爐給水

原系統(tǒng)給水原理圖如下：

由于二臺鍋爐進水電動閥分別控制，在運行過程，雖然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同，但由于燃燒過程中存在不確定性，兩臺鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單用恒液位控制方案不適合。通過給水原理圖我們不難發(fā)現(xiàn)，要對2臺鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個給水母管向2臺鍋爐給水的現(xiàn)狀徹底改變，將給水系統(tǒng)分開，使每個鍋爐都有自己獨立的給水系統(tǒng)，再在此基礎上加裝變頻控制，由1臺變頻器單獨控制1臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動較大，投資較高，且要停產(chǎn)改造。因此我們設計了采用一套專用于2臺(或2臺以上)鍋爐同時運行時的控制方案，即蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。具體為：用兩只壓力傳感器分別檢測蒸汽總管壓力、給水總管壓力，轉換成4-20mA標準信號送到壓差變送器，其壓差信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)器與設定值（給定）進行比較后，送到變頻器控制水泵電機轉速，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，該方案特點為能在不改變原有系統(tǒng)現(xiàn)狀的前提下，更好的利用變頻系統(tǒng)，節(jié)能降耗，減小系統(tǒng)運行，維護費用，提高原有系統(tǒng)的自動化程度。

2)    引風機、鼓風機及二次風機

    引風機由二臺250KW變頻系統(tǒng)分別控制二臺引風機，鼓風機由二臺160KW變頻系統(tǒng)分別控制二臺引風機，二次風機由一臺55KW變頻系統(tǒng)控制，與原啟動裝置并聯(lián)，原啟動裝置可作備用，不改變原系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)圖如下：

3．變頻改造節(jié)能原理

1)    鍋爐給水

     原系統(tǒng)給水依靠電動進水閥及回流閥調(diào)節(jié)，閥門調(diào)節(jié)增加了管網(wǎng)阻力，是一種能耗調(diào)節(jié)。變頻改造后關閉回流支路，打開調(diào)節(jié)閥，進水靠變頻系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，運行時隨著鍋爐汽包壓力的變化，變頻器水泵轉速也隨之改變，根據(jù)由上介紹的流體力學原理，水量Q與轉速的一次方成正比，壓力H與轉速的平方成正比，功率P  與轉速的立方成正比。

式中: Qe—風機、泵類的額定風(流)量;
 He—風機、泵類的額定壓力;
 Pe—風機、泵類的額定功率;
 ne—風機、泵類的額定轉速。
由上公式可告，變頻改造后水泵電機消耗功率隨蒸汽壓力變化大大減少，節(jié)電效果顯著。

2)    引風機、鼓風機及二次風機

風機原系統(tǒng)均依靠進風門調(diào)節(jié)，風門調(diào)節(jié)會增加風阻，是一種能耗調(diào)節(jié)方式，變頻改造后，進風門全開，風阻大大減少，風量靠變頻控制系統(tǒng)控制風機轉速來調(diào)節(jié)，隨著蒸汽壓力的變化及鍋爐內(nèi)燃料燃燒情況調(diào)節(jié)風機轉速從而控制供風量，根據(jù)流體力學原理，風機電機消耗功率與轉速的立方成正比可知改造后節(jié)電效果顯著。

4．改造后受益

1)    節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益可觀

根據(jù)對豐收糖業(yè)的實際工況的了解，鍋爐供水及供風能有較大的富余，變頻改造后節(jié)電效果顯著，節(jié)電率估計可達40%左右，經(jīng)濟效益可觀。

2)    改善工廠的用電狀況

變頻改造后，鍋爐風機、水泵電機的啟動均由變頻軟啟動，消除了原啟動系統(tǒng)啟動時對電網(wǎng)的沖擊，新系統(tǒng)的功率因數(shù)可達0.95，效率可達0.98，系統(tǒng)工作電流大為減小，線路損耗也大為減少，改善了工廠用電的狀況。

3)    減輕工作人員的勞動強度

變頻改造后提高了整個系統(tǒng)的自動化水平，風壓、水壓的下降以及軟啟動延長了設備的使用壽命，減少了設備的故障率，大大減輕了工作人員的勞動強度。

4)    系統(tǒng)可靠性更高

變頻改造后減少了操作人員失誤帶來的故障，每套變頻系統(tǒng)均有工/變頻切換功率，原有啟動系統(tǒng)變?yōu)閭溆孟到y(tǒng)，增加了系統(tǒng)的可靠性。

四．分離機變頻改造方案

1．原系統(tǒng)概況　

分離機是制糖業(yè)分離脫水工藝的關鍵設備，分離機主要由錐體轉筒、驅動電機組成，電機軸與轉筒直接相連。豐收糖業(yè)使用的分離機采用的電機是64-32-8-6極四極電機，最大輸出功率117KW。根據(jù)生產(chǎn)工藝，電機轉速需要頻繁切換，多極電機的轉速變化是突變的，頻繁的升速、降速對電網(wǎng)和機械的沖擊較大，帶來的后果是維修費用高，停工損失很大。
2. 變頻改造方案

分離機采用交流變頻器驅動普通三相鼠籠電機可滿足制糖分離工藝的要求。因此可將原四級電機改接為普通的6級電機，由變頻器來控制電機的轉速，考慮到分離機的機械特性屬于恒轉矩大慣性負載，應采用恒轉矩特性的變頻器并配置剎車制動單元，選用合適的制動單元，配以一定的制動電阻滿足分離機剎車制動的要求。
　　為了能增加工作的可靠性及滿足快速剎車制動的要求，變頻器采用ALPHA2000 160kW。這種變頻器具有、低速高轉矩輸出、AVR自動穩(wěn)壓運行等功能。制動單元采用加能制動單元，該制動單元為加拿大技術，核心器件為進口優(yōu)質(zhì)器件，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠。

3. 控制方案

除電機外不改變原系統(tǒng)，因此操作方式也可與原系統(tǒng)一致。變頻控制系統(tǒng)采樣原系統(tǒng)PLC給定速度信號,四個多段速度給定由變頻控制系統(tǒng)控制端子輸入，變頻控制系統(tǒng)輸出頻率(即電機轉速)分別對應改造前的四級時的速度，此速度可由變頻器控制系統(tǒng)內(nèi)部設定，改造簡單易行。

4.改造原理

1)              三相交流異步電動機調(diào)速原理

三相交流異步電動機的轉速為：

式中，n為每分鐘轉速；f為交流電的頻率；p為磁極對數(shù)；s為轉差率。S由負載轉矩與電機輸出轉矩共同決定，不可控，常用的調(diào)速方式有變頻調(diào)速和變極調(diào)速變頻器就是調(diào)節(jié)f（頻率）來調(diào)節(jié)電機的轉速。

2）變頻調(diào)速與變極調(diào)速

    變極調(diào)速即改變電動機磁極對數(shù)來調(diào)速，電動機磁極對數(shù)變換需通過改變電機繞組來實現(xiàn)，在電機設計時為綜合考慮各磁極對數(shù)下對磁通的要求，一般設計裕度比較大，這樣電機在各極速下運行效率都不高，功率因數(shù)較低

變頻調(diào)速即通過改變電機工作電源頻率來調(diào)速，是利用現(xiàn)代電力電子與微電子控制技術實現(xiàn)電源頻率的自由變換，變頻調(diào)速可實現(xiàn)電機無沖擊無極調(diào)速，由于變頻時保持了V/F的恒定，電機的輸出轉矩能保持恒定，隨頻率F的調(diào)節(jié)，電源電壓及輸入功率也隨之調(diào)節(jié)。

3）制動單元及電阻

A、能耗制動

由于負載較重，加速到980r/min后，要在2分鐘的時間內(nèi)停下來，必須加裝容量與變頻器容量相當?shù)闹苿訂卧?，制動單元實際上就是一個電壓滯環(huán)開關。在電機降速時，負載的動能很大，加在電機轉子上的電壓，給電機提供磁場，電動機變成了三相交流發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)的電經(jīng)逆變橋上的二極管整流變?yōu)橹绷鲗﹄娙莩潆姟Ｈ绻娏骺梢杂^測，則電流的流向和降速前相反，表明能量由負載返回變頻器，當電容的充電電壓達到710V時，制動單元開關打開，電流流向制動電阻力，電能以電阻發(fā)熱的形式耗掉。由于能量被消耗，電容電壓下降，下降到680V時制動單元關斷。只要制動過程沒有結束，制動單元就會反復地打開和關斷，使負載以平穩(wěn)的速度，很快地降到零。

B、制動電阻的計算：

在有制動電阻制動的情況下，電動機內(nèi)部的有功耗損部分，折合成制動轉矩，大約為電動機額定轉矩的20%。因此可用下式計算制動電阻的阻值：

式中：UC為制動單元動作電壓值，現(xiàn)為710V；TB為制動轉矩；TM為電動機額定轉矩；N為開始減速時電機的速度，本例為1000r/min。

由制動單元和制動電阻構成的放電回路中，其最大電流受制動單元ICBG最大允許電流IC的限制，制動電阻的最小允許值為：

Rmin＝VC/IC
    因此通常Rmin＜RB（5Ω）＜RB0

C、制動電阻的確定

視電機是否重復減速，制定電阻額定功率選擇是不同的，本例中電阻的額定功率為24kW，自然冷卻，如果強迫風冷電阻的額定功率可減小。一般制動電阻應采用雙線并繞的無感電阻，當然也可用普通的箱式電阻，但需在電阻兩端并接一只續(xù)流二極管，可使用快恢復二極管，耐壓1000V以上。

5. 改造后受益

1） 改善電網(wǎng)供電質(zhì)量

分離機電機頻繁變極調(diào)速，帶來很大的沖擊電流、無功電流嚴重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，加重發(fā)電機的負荷，使發(fā)電機的輸出電壓不穩(wěn)，紋波大，電網(wǎng)供電質(zhì)量變差。分離機變頻改造后，速度切換為軟切換，不會對電網(wǎng)帶來沖擊，發(fā)電機工況大大改善。

2） 延長設備使用壽命，節(jié)約維修費用

     分離機電機頻繁變極調(diào)速，會帶來很大的機械沖擊、切換時所帶來的飛弧都會引起設備壽命的縮短，故障率提高，變頻改造后故障大大減少，停工損失減少為零，節(jié)省大量維修費。

3） 控制平穩(wěn)、快速、精確

通過變頻控制系統(tǒng)及制動單元，可使系統(tǒng)速度切換平穩(wěn)，制動快速，各動作控制精度高。