变频器应用实例
《变频器原理与应用》第10章1010.1变频调速技术在风机上的应用10.1.1风机变频调速驱动机理
风机应用广泛但常用的方法则是调节风门或挡板开度的大小来
调整受控对象这样就使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉
了。采用变频调速可以节能30%60%。
负载转矩TL和转速nL之间的关系可用下式表示
(10-1)
则功率PL和转速nL之间的关系为(10-3)上三式中PL、TL——分别为电动机轴上的功率和转矩。KT、KP——分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数。2
0LTLn
KTT3
0LPLn
KPP《变频器原理与应用》第10章1.风机容量选择风机容量的选择主要依据被控对象对流量或压力的需求可查阅相关的设计手册。
2.变频器的容量选择
选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。3.变频器的运行控制方式选择依据风机在低速运行时阻转矩很小不存在低频时带不动负载
的问题采用Uf控制方式即可。
4.变频器的参数预置
上限频率下限频率加、减速时间加、减速方式回避频
率起动前的直流制动。《变频器原理与应用》第10章5.风机变频调速系统的电路原理图考虑到变频器一旦发生故障也不能让风机停止工作应具有将风
机由变频运行切换为工频运行的控制。图10-3所示为风机变频调速系统的电路原理图《变频器原理与应用》第10章风机用变频器的功能代码以变频器为森兰BT12S系列为例变频器的功能预置为
F01=5频率由X4、X5设定。F02=1使变频器处于外部FWD控制模式。F28=0使变频器的FMA输出功能为频率。F40=4设置电机极数为4极。
FMA为模拟信号输出端可在FMA和GND两端之间跨接频率表。
F69=0选择X4、X5端子功能。即用控制端子的通断实现变频器的升降
速。
X5与公共端CM接通时频率上升X5与公共端CM断开时频率保持。X4与公共端CM接通时频率下降X4与公共端CM断开时频率保持。这里我们使用S1和S2两个按钮分别与X4和X5相接按下按钮S2使X5与公
共端CM接通控制频率上升松开按钮S2X5与公共端CM断开频率保持。同样按下按钮S1使X4与公共端CM接通控制频率下降松开按钮S1X4与公共端CM断开频率保持。《变频器原理与应用》第10章风机变频调速系统的电路原理图说明1.主电路
三相工频电源通过断路器Q接入接触器KM1用于将电
源接至变频器的输入端R、S、T接触器KM2用于将变频器的输出端U、V、W接至电动机KM3用于将工频电源直接接至电动机。注意接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通否则会造成损坏变频器的后果因此KM2和KM3之间必须有可靠的互锁。热继电器KR用于工频运行
时的过载保护。《变频器原理与应用》第10章风机变频调速系统的电路原理图说明2.控制电路
设置有“变频运行”和“工频运行”的切换控制电路采用三位开关SA进行选择。当SA合至“工频运行”方式时按下起动按钮SB2中间继电器KA1动作并自锁进而使接触器KM3动作电动机进入工
频运行状态。接下停止接钮SB1中间继电器KA1和接触器KM3均断
电电动机停止运行。当SA合至“变频运行”方式时按下起动按
钮SB2中间继电器KA1动作并自锁进而使接触器KM2动作将电动机接至变频器的输出端。KM2动作后使KM1也动作将工频电源接至变频器的输入端并允许电动机起动。同时使连接到接触器
KM3线圈控制电路中的KM2的常闭触点断开确保KM3不能接通。接
下按钮SB4中间继电器KA2动作电动机开始加速进入“变频运行”状态。KA2动作后停止按钮SB1失去作用以防止直接通过切断变频器电源使电动机停机。 在变频运行中如果变频器因故障而跳闸则变频器的“30B-30C”保护触点断开接触器KM1和KM2线圈均断电其主触点切断了变频器与电源之间以及变频器与电
源之间的连接。同时“30B-30A”触点闭合接通报警扬声器HA和报
警灯HL进行声光报警。同时时间继电器KT得电其触点延时一段时间后闭合使KM3动作电动机进入工频运行状态。《变频器原理与应用》第10章10.1.3 节能计算以一台工业锅炉使用的30 kW鼓风机为例。一天24小时连续运行
其中每天10小时运行在90%负荷频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算14小时运行在50%负荷频率按20Hz计算挡板调节时电机功耗按70%计算全年运行时间在300天为计算依据。
则变频调速时每年的节电量为
W1=30×10×[146/503]×300=19918kW·h
W2=30×14×[120/503]×300=117936kW·h Wb = W1W2=19918117936=137854 kW·h 挡板开度时的节电量为W1=30×198%×10×300=1800kW·h
W2=30×170%×14×300=37800kW·h Wd = W1W2=180037800=39600 kW·h 相比较节电量为W = WbWd=13785439600=98254 kW·h
每度电按0.6元计算则采用变频调速每年可节约电费58952元。一般来
说变频调速技术用于风机设备改造的投资通常可以在一年左右的生产中全部收回。《变频器原理与应用》第10章10.2 空气压缩机的变频调速及应用10.2.1空气压缩机变频调速机理
空气压缩机是一种把空气压入储气罐中使之保持一定压力的机械设备属于恒转矩负载其运行功率与转速成正比(10-4)
式中PL为空气压缩机的功率
TL为空气压缩机的转矩nL为空气压缩
机的转速。传统
的工作方式为进气阀开、关控制方式即压力达到上限时关阀压缩机进入轻载运行压力抵达下限时开阀压缩机进入满载
运行。这种频繁地加减负荷过程不仅使供气压力波动而且使空
气压缩机的负荷状态频繁地变换。由于设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性所以只能按最大需求来选择电动机的容量故选择的电动机容量一般较大。在实际运行中轻载运
行的时间往往所占的比例是非常高的这就造成巨大的能源浪费。9550L
L
Ln
T
P《变频器原理与应用》第10章10.2.2空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题1空气压缩机加、卸载供气控制方式的能量浪费
1)压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量当储气罐中空气压力达到Pmin后加、还要使其压力继续上升直到Pmax。这一过程中需要电源提供压缩机能量。
2减压阀减压消耗的能量
气动元件的额定气压在Pmin左右高于Pmin的气体在进入气动元件前其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。3)卸载时调节方法不合理所消耗的能量
当压力达到Pmax时但空气压缩机的电机还是要带动螺杆做回转运
动 。
2.加、卸载供气控制方式其他损失
1)供气压力的波动从而供气压力精度达不到工艺要求会影响产
品质量甚至造成废品。再加上频繁调节进气阀会加速进气阀的磨
损增加维修量和维修成本。
2)频繁地打开和关闭放气阀会导致放气阀的寿命大大缩短。《变频器原理与应用》第10章10.2.3空气压缩机变频调速的设计空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时系统原理框图如图10-4所示。图10-4系统原理框图《变频器原理与应用》第10章10.2.3空气压缩机变频调速的设计空气压缩机变频调速系统电路原理图如图10-5所示。图10-5空气压缩机变频调速系统电路原理图《变频器原理与应用》第10章10.2.4 空气压缩机变频调速的安装调试1.安装为防止电网与变频器之间的干扰在变频器的输入侧最好接一个电抗器。安装时控制柜与压缩机之间的主配线不要超过30m主配线与控制线要分开走线且保持一定距离。控制回路的配线采用屏蔽双绞线接线距离
应在20m以内。另外控制柜内要装有换气扇变频器接地端子要可靠接地
不与动力接地混用。
2.调试完成变频器的功能设定及空载运行后可进行系统联动调试。调试
的主要步骤
1 将变频器接入系统。
2 进行工频控制运行。
3 进行变频控制运行其中包括开环与闭环控制两部分调试
开环主要观察变频器频率上升的情况设备的运行声音是否正常空压机的压力上升是
否稳定压力变送器显示是否正常设备停机是否正常等。如一切正常。
闭环主要依据变频器频率上升与下降的速度和空压机压力的升降相匹配
不要产生压力振荡还要注意观察机械共振点将共振点附近的频率跳过去。
对PID参数的进行整定。《变频器原理与应用》第10章10.2.5 空压机变频调速后的效益1.节约能源使运行成本降低空气压缩机的运行成本由三项组成初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的80%。通过变频技术改造后能源成本
降低20%再加上变频起动后对设备的冲击减少维护和维修量也跟随降低
所以运行成本将大大降低。
2.提高压力控制精度
变频控制系统具有精确的压力控制能力有效地提高了产品的质量。
3.全面改善压缩机的运行性能
变频器从0Hz起动压缩机它的起动加速时间可以调整从而减少起动时
对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击增强系统的可靠性使压缩机的使用寿命延长。此外变频控制能够减少机组起动时电流波动这一波动电流会影响电网和其它设备的用电变频器能够有效的将起动电流的峰值
减少到最低程度。根据压缩机的工况要求变频调速改造后电机运转速度
明显减慢因此有效地降了空压机运行时的噪音。《变频器原理与应用》第10章10.3 变频器在供水系统的节能应用10.3.1恒压供水的控制目的对供水系统的控制归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程
但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下管道中水
压的大小与供水能力由流量Qg表示和用水需求用水量Qu表示之间的平衡情况有关。当供水能力Qg用水需求Qu则压力上升p↑
当供水能力Qg用水需求Qu则压力下降p↓当供水能力Qg=用水需求Qu则压力不变p =常数。可见供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此压力就成为控制流量大小的参变量。就是说保持供水
系统中某处压力的恒定也就保证了使该处的供水能力和用水流量
处于平衡状态恰到好处的满足了用户所需的用水流量这就是恒压供水所要达到的目的。《变频器原理与应用》第10章10.3.2 水泵调速节能原理图10-6为水泵的流量调节曲线。曲线2和曲线4为扬程特性曲线2为水泵转速较高的情况曲线4为水泵转速降低的情况。曲线1曲线3为管阻特性曲线1为开大管路阀门管阻较小
的情况曲线3为关小管路阀门管阻较大的情况。
图10-6水泵的流量调节
曲线
可以看出采用调节转速的方法来调节流量电动机所取用的功率将大为减少。《变频器原理与应用》第10章10.3.3 变频调速恒压供水系统水泵的机械特性可表示为TL= TO+ Kn210-7式中TO为损耗转矩K为系数TL为水泵的阻转矩。图10-7变频调速恒压供水系统的组成框图《变频器原理与应用》第10章10.3.3 变频调速恒压供水系统如果管网系统采用多台水泵供水变频器可控制其顺序循环运行并且可以实现所有水泵电机变频软启动。现以两台水泵为例说明系统按Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅰ顺序运行过程如图10-8所示。图10-8两台水泵供水时顺序运行过程《变频器原理与应用》第10章10.3.4 变频调速恒压供水系统设计1.设备选择原则选择水泵和电机的依据是供水规模供水流量。系统设计还应遵循以下的原则
① 蓄水池容量应大于每小时最大供水量。② 水泵扬程应大于实际供水高度。③ 水泵流量总和应大于实际最大供水量。《变频器原理与应用》第10章2. 设计实例某居民小区共有10栋楼均为7层建筑总居住560户住宅类型为表1中的3型设计恒压供水变频调速系统。1 设备选用如下
1根据表1确定用水量标准为0.19m3人?日2根据表2确定每小时最大用水量为105m3h3根据7层楼高度可确定设置供水压力值为0.36Mpa。
4根据表3确定水泵型号为65LG36-20×2共3台水泵自带电动机功率7.5kW,选用三恳SAMCO-vm05变频器SPF-7.5K配接SWS供水基板容量7.5kW《变频器原理与应用》第10章2. 原理图变频调速恒压供水
系统采用SAMCO-vm05
变频器内置有PID调节
器配置有SWS供水控
制基板可直接驱动多个
电磁接触器可以方便地组成恒压供水控制系统。图10-9变频调速恒压供
水系统的原理图《变频器原理与应用》第10章2. 原理图说明控制要点说明MF为冷却风机SA为选择开关系统用户可方便地进行自动运转和手工运转的切换给定压力是通过操作面板设置的压力反馈用的压力传感器
采用远传压力表价格低廉电路中的P为远传压力表
中间继电器KM*是为了进行手动-自动电路之间的互锁并在发生瞬时停电时起作用中间继电器RD是当电路自动工作变频运行时防止储水池水位过低水泵抽不到水
而进行保护的。当水池水位低于要求值时与RD线圈串
联的OM触点断开RD失电使FR与DCM断路水泵电机停转。同时MBS与DCM接通运转中的电机全部停止。当由市电工频电源驱动电机时电机回路中串接有热敏继电
器进行过载保护对于变频器和市电可切换驱动的电机
而言必须使用电磁接触器触点互锁防止双方的电磁接
触器同时接通损坏变频器。《变频器原理与应用》第10章3.系统主要电器的选择1QM2断路器选择IQN≥1.31.4IN=1.31.4×16.4≈23AQM2选30A
式中IN为变频器的输出电流等于16.4A。
2QM1断路器选择IQN≥2.5 IMN=2.5×13.6= 34A QM1选40A
式中IMN——电动机的额定电流等于13.6A。3接触器的选择接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个挡次
来选择由于电动机的额定电流IMN=13.6A所以接触
器的触点电流选20A即可。《变频器原理与应用》第10章4. 安装与配线注意事项1变频器的输入端R、S、T和输出端U、V、W是绝对不允许接错的否则将引起两相间的短路而将逆变管迅速烧坏。2变频器都有一个接地端子“E”用户应将此端子与大地相接。当变频
器和其它设备或有多台变频器一起接地时每台设备都必须分别
和地线相接不允许将一台设备接地端和另一台的接地端相接后再接地。3在进行变频器的控制端子接线时务必与主动力线分离也不要配
置在同一配线管内否则有可能产生误动作。
4压力设定信号线和来自压力传感器的反馈信号线必须采用屏蔽线屏蔽线的屏蔽层与变频器的控制端子ACM连接屏蔽线的另一端的屏蔽层悬空。
5变频器功能参数设置按说明书结合供水要求进行具体设置。《变频器原理与应用》第10章10.3.5 经济效益分析从流体力学原理知道水泵供水流量与电机转速及电机功率有如下关系Q1/Q2=n1/n210-8H1/H2=n1/n2)210-9P1/P2=n1/n2)310-10
上三式中
Q为供水流量H为扬程P为电机轴功率n为电机转速。本设计系统共有3台7.5kW的水泵电机假设按每天运行16小时其中4小时为额定转速运行其余12小时为80%额定转速运行一年365天
节约电能为
W= 7.5×12×[180/1003]×365 = 16031kWh若每1kWh电价为0.60元一年可节约电费0.60×16031 = 9618.6元
可见对传统供水系统进行改造按现在的市场价格一年即可收回投
资。以后多年运行经济效益十分可观。《变频器原理与应用》第10章本 章 小 结本章列举了风机、空气压缩机、供水、中央空调和液态物料提升机等多种应用实例每个例子都有系统方案选择、设备选用、电路原理图及安装调试的详细说明
方便用户参照这些例子开发新的变频器应用项目。
采用变频调速系统可以根据生产和工艺的要求适
时进行速度调节必然会提高产品质量和生产效率。变
频调速系统可实现电机软起动和软停止使起动电流小
且减少负载机械冲击。还具有容易操作、便于维
护、控制精度高等优点。通过一些应用例子的节能计算可以清楚地看出
变频调速具有显著的节能效果一般进行老设备改造
一到两年即可收回投资。