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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率P  與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)筒、驅(qū)動電機組成，電機軸與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速需要頻繁切換，多極電機的轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)速，考慮到分離機的機械特性屬于恒轉(zhuǎn)矩大慣性負載，應采用恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速為：

式中，n為每分鐘轉(zhuǎn)速；f為交流電的頻率；p為磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。S由負載轉(zhuǎn)矩與電機輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?。如果電流可以觀測，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(jié)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(zhuǎn)矩，大約為電動機額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩；TM為電動機額定轉(zhuǎn)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。