变频器改造方案方案

高压变频器对肇庆桂峰水泥有限公司

风机/水泵项目节能技术改造方案

一、前言：

在上个世纪八十年代末，交流变频调速逐渐登上了工业传动调速方式的历史舞台，并演变到日趋取代直流调速方式传动的程度。尤其是矢量控制和直接转矩控制技术在通用变频器中的运用，以及政府部门在“十一五”节能规划中目标的提出，都加速了通用变频器和国外大功率高压变频器在我国各行各业的使用规模和改造力度。交流变频调速技术是现代化电气传动的主要发展方向之一，它不仅调速曲线平滑，调速范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果良好，是风机、泵类设备的一项最佳的节能改造新技术，是国家发改委重点推广应用的节约综合利用新技术。实践证明，驱动风机、水泵、空压机等的高压大、中型电动机采用高压交流变频调速改造后，节能效果显著。

二、变频节能原理：

变频器这一交流调速产品本身属于工业自动控制产品中传动调速产品的范畴，21世纪之际，这一产品被冠上了“节能产品”、“绿色产品”乃至“绿色节能产品”等，产品的宣传在广告词方面可谓得到了淋漓尽致的发挥。

我们大家都知道：风机、泵类属于二次方递减转矩的负载性质，对于二次方递减转矩的这种性质负载，其流量与负载的转速成正比变化，压力（扬程）的变化与流量的变化成平方关系，而其功率的变化则与流量的变化成立方关系；即当

风机转速从N

1变到N

2

后，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系如下：

Q

1:Q

2

=N

1

:N

2

或⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

⨯

=

2

1

2

1N

N

Q

Q

H

1:H

2

=N

1

2:N

2

2或

2

2

1

2

1⎪

⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

⨯

=

N

N

H

H

P

1:P

2

=N

1

3:N

2

3或

3

2

1

2

1⎪

⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

⨯

=

N

N

P

P

其中：P

1表示风机或泵在N

1

转速下的功率，P

2

表示风机或泵在N

2

转速下的功

率，上式表达出风机、泵类功率与转速的关系。

通过风门、阀门与通过转速调节负载大小的能量需求效果比较如图1：

全扬程H (p ,u )

流量Q(p,u)

图1 转速功率关系图

变频器调节方式的能量需求最小，其曲线最接近负载能量需求的理想曲线。在实际应用和节能分析中，还不能简单的依赖流量、压力（扬程）和功率这三者之间的变化关系，还要考虑到负载的选型（如鼓风机负载的1.15倍选型和引风机负载的1.3倍选型）、负载的平时工况、工况的变化趋势、负载变化时引起的负载效率和功率因数等参数的变化等。

变频器一种交流传动的调速产品，其主要功能是进行负载的转速调节，实现负载传动的自动化控制，至于提高生产的过程控制水平、提高生产效率、软启动控制、负载设备寿命的延长以及风机、水泵和压缩机类负载的需求电能的节省等这些都是应用变频器的结果，都属于变频器应用的“副产品”。 三、风机/水泵的几种调速方法简介

目前工厂大型风机常用的方法是入口挡板调节、动叶调节、液力耦合器调速、液体粘性调速器调速、绕线式转子串电阻调速、变频器调速等，也有工厂采用双速电动机来驱动离心式风机，配合进口导叶调节风量，可在一定范围内降低功率损耗，但不能无级调速，驱动系统的总体效率仍然较低。

动叶可调式风机控制油系统复杂，故障率高，动叶常常卡涩，给工厂的安全运行带来隐患。

液力耦合器和液体粘性调速器都要用油控制调速，系统复杂庞大，调速效率低，且调速范围有限，不能从0-50HZ 调速，节能空间小，维修费用大，故障率高等。

变频调速方法调速效

率高，调速范围大，可用于电动机的调速。

100

90

80

70

60

50

40

30

绕线式异步电机转子串入可变电阻调速法，由于以前的可变电阻采用的是电阻片，经常烧坏，影响了这种调速方法的推广应用。随着电力电子和微电子技术的发展，以及对国外液体电阻起动调速器的消化和吸收，国产化的新一代液体电阻起动调速器已能很好地解决上述问题，但由于转差功率以发热的形式消耗在可变电阻上，调速效率虽然比液力耦合器高，却低于变频的调速效率。

上图给出了几种调节方法消耗功率的比较。综上所述，变频调速无疑是风机、水泵调速节能改造的优先考虑方案。

四：变频方案

风机/水泵是动力中枢，一旦不能正常运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失，还有可能威胁到现场生产人员的人身安全，而且会造成生产的不连续性，出现间断性，使之生产效率底下，因此，和风机配套的高压变频调速系统，要求具有极高的可靠性。基于以上工作特点，对变频调速系统的主要要求如下：

✧要求变频器要有高可靠性，长期运行无故障。

✧要求变频器有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行。

✧调速范围要大，效率要高。

✧具有逻辑控制能力，可以自动按照周期升降速。

✧有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘震。

我公司采用东方日立的产品，根据通常情况做出下列初步改造方案：

⑴、主电路：

变频回路是直接从6KV 电网经工厂原有高压开关真空端路器KM 后接入如图2所示框图中的高压变频器部分，然后经高压变频器的输出接到原有电机上即可，考虑到对系统的重要性，增加变频/工频手动切换电路，工频回路与变频回路互锁控制，作为变频维护时应急措施，不影响正常的生产。

原断路器

用户电机

高压变频系统

手动旁通柜

变频器

图2 主电路框图

KM ：变频器供电的高压真空断路器(为系统原有断路器)； K3:为手动旁通柜的刀闸； K1、K2：维护用刀闸； IM ：为用户异步电动机；

变频器：为东方日立的高压变频器。

正常运行时，KM 、K1、K2合闸，风机按工艺要求运行；如果变频器需要维护时，则将K1、K2断开后，将K3闭合，电机自动切换到工频电网运行。当对变频器进行维护完后，断开K3，刀闸K1、K2合上即可从工频自动切换到变频。这样，在变频器进行正常维护时，系统能够转入工频电网中，负载继续工作，满足生产要求。

⑵、控制电路：

根据工艺要求，结合现场实际情况，系统采用东方日立的变频器，进行变频调速控制改造后，采用变频器的多步速功能，按工艺要求控制风机/水泵的高速、低速（或多步速）运行。变频器运行采用（闭环）自动控制和（开环）手动控制两种方式，并能在两者之间方便切换，使生产工艺得到优化，操作得到简化。具

体控制框图如图3所示：

图3 控制系统框图

⑶、控制要点：

①、根据工艺要求、借助原有系统断电、送电，以及送风/水量提供的开关量，控制风机/水泵的多步速运行或手动调节装置，实行全范围调速。

②、也可根据目前系统的情况，如有传感器则可取含量模拟信号，利用该信号通过PID、PLC进行闭环调节，这种调节可以是连续的，也可以是跳跃的（即设定多步速），并能实现自动控制和手动控制两者之间的方便切换，实现风机/水泵转速的自动调节。

③、如原有系统控制具有DCS系统，则为使通讯方便，中间控制部分可编程控制器可采用适合原有系统产品。该产品输入部分从现场设备采集信号，输出部分则控制变频器、电机及工业过程中的其它设备，通讯端口允许可编程控制器与高压变频器或计算机系统连接起来。

五、东方日立的高压变频器简介：

1、主要优点：

目前高压大容量的变频器主要有两种结构：一种是采用升降压变压器的“高－低－高”式变频器；另一种是无输出变压器的“高－高”式变频器，即直接高压变频器，东方日立的高压变频器既是采用的“高－高”式，也是国际主流成熟技术。

高压变频器由输入侧隔离变压器和功率单元串联组成，由于省掉了输出变压器，因而减少了损耗，减少了占地面积，容量大，优势明显。

其主要优点是：

⑴、电磁兼容性好，无谐波污染，纯净功率输入，能满足IEEE519-1992的严格要求；

⑵、变频器效率高达97％以上；

⑶、功率因数高达0.96以上；

⑷、采用模块化结构，具有单元旁路功能；

⑸、性能价格比高。

2、关键技术：

⑴、在输出逆变器部分采用了具有独立电源单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加；

⑵、输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术；

⑶、在结构上采用了功率单元模块化技术。

3、变频器技术指标：

六、节能分析：

本项目为一台280KW，6KV电机节能分析如下：由于流量Q∝n，压力H∝n²，电机功耗N∝n³

当扬程由额定值H

0降至H

1

时，与额定功耗相比较（由于无具体数具，根剧

以往工程经验采用变频调节后电机节约的功耗为：

Nt=（n

1/n

）³N

Nt＝（0.8）³×280＝143kW

如果一年按5400小时运行算，一年可节约电143×5400＝772200kWh

如果1kWh电按0.4元计算，一年可节约电费772200×0.4＝308880元。节能效果非常明显，三年即可收回成本。(备注：以上数据只是一个理论分析，如

果要想精确的计算，还需提供每一个负荷和挡板开度下风机/水泵的出口流量和电机实际所消耗的功率)

同时，通过变频技术改造后，由于功率因数提高后减小了无功损耗，其下降值也是非常可观的，无功功率的下降同样地会给用户带来经济效益。另外还可较少设备机械损耗，减少设备的维护费用。具体如下：

●改善了工艺。投入变频器后风机/水泵可以非常平滑稳定的调整量，运行

人员可以自如的调控，风机/水泵运行参数得到了改善，提高了效率。

●延长电机的使用寿命。一般工厂风机/水泵均为离心式，启动时间长，启

动电流大（约6～8倍额定电流），对电机的机械冲击力很大，严重影

响其使用寿命。而采用变频调速后，可以实现软起动和软制动，对电机

几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。

●减少阀门机械和风机叶轮的磨损。安装变频调速后，风机经常工作在比

原来定速时低150转/分的转速下运行，因此，大大减少了风机叶轮的磨

损，减少了风机振动。延长风机的大修周期，节省检修费用和时间。

●便于实现控制系统自动化。系统的的量经常需要根据工艺的要求变化，

在过去用挡板调节时，存在执行机构的开度与流量的关系曲线的线形问

题。往往由于执行机构的磨损量过大，阀门特性发生变化，出现非线形

问题，致使调节过程失误，自动控制系统无法正常工作。而变频调速始

终保持在线形高精度0.1～0.01HZ的范围内工作，为实现送风系统的自

动化创造优越条件。

八、结束语：

由于高压变频器的高传递效率、高功率因数等特性，节能效果非常明显,另外在工艺上对交流电机及调速设备的维护量小，运行稳定、可靠，有利于工厂实现设备的更好用、更方便、自动化程度更高。

因此，建议尽快采用，以便为企业创造更多效益。

上述方案有不妥处请指正。

武汉武水电气技术有限责任公司

联系人：司马苹萍

电话：1380，027－87410616

注：欢迎贵企业到我公司及相关企业考察指导。