1.引言
油田注水是中国很多油田保持高产稳产的重要有效措施。其方法就是把地层中散布的油集中到油井，再提取上来。由于大庆油田属于断裂区块油田，每个区块注水范围小，注水量随开采状况的变化，需要经常调整，大部分注水站都存在额定流量与实际流量不相匹配的问题。而油田注水由于压力高、水量大，注水电机大多是大功率电动机，电动机长期处于高耗能状态运行，采用高压变频调速装置对油田注水泵用电动机实行变转速调节，实现注水泵变水量控制是一项非常有效的节能措施。
大庆油田采油某厂注水站的1250kW两台水泵主要用于油田注水，原来采用星三角启动方式，工频控制，水流量由阀门调节。现采用深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列高压变频器，在注水泵配置的电动机安装高压变频器, 进行变频节能改造，都取得良好的节能效果，下面对改造情况作
2.英威腾CHH系列高压变频器技术特点
深圳市英威腾电气股份有限公司，提供的CHH100系列变频器除了具有一般厂家的高压变频器功能外，还有以下几方面的特点。
1）具有较强的功能，能够满足不同工况
CHH100系列高压变频器采用DSP系统与可编程系统巧妙的结合，控制系统高度集成化，设备器件主要采用进口器件，完成了比一般高压变频器的功能，具有300多个功能码，可以对启动特性、运行模式等功能根据现场工况进行不同设定。CHH100系列高压变频器具有标准的RS485接口，可以通过RS485通讯接口（采用标准通信协议）与DCS进行连接，也可以通过硬接线的方式与DCS系统进行连接。多种接口方式选择可以DCS系统很方便的对变频调速系统进行监控。也可以进行不同参数设置，满足现场其它各种不同工况。
2）全面的保护功能
CHH100系列变频器的功率单元自身就有多达11种的故障保护;主控系统采用DSP+PFGA巧妙配合，电气部分对输出电压、输出电流、输入电压、输入电流都有全面检测，对变频器电源及电机都有过压、过流、过载、欠压、温度等具有多达二十几种超强综合保护功能，并且重要的保护定值可以根据现场不同的工况进行参数设定。内置雷击过流保护装置，有效提高设备保护功能和系统保护功能，完全能够保证电源及电机的安全运行。
3）全面的参数记录
CHH100系列高压变频器显示多项运行参数过过程变量，包括每个模块的温度、母线电压都有检测与显示。具有故障、事故显示、记录功能，具有自诊断功能，所在信息可以通过通讯上传至DCS系统，异常时对变频器的状态都有全面的记录，以便现场人员更准确、更快捷地解决问题。
4）最大的电压、电流冗余量设计
深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器，以安全、可靠、使用寿命长为首要设计原则，采用1700V高压IGBT，9级或6级串联，电压裕量为2.0倍左右。功率器件电压安全设计冗余量较高。
5）电机转速自动跟踪功能
CHH100系列高压变频器在主电源母线切换（10秒内）过程中，变频器能够自动跟踪电机的转速，当主电源恢复后变频器自动运行起来，保证了机组安全可靠运行。
6）功率模块自动旁路技术
模块自动旁路技术提高了系统的稳定性，CHH100系列高压变频器采用功率模块自动旁路技术，可在1ms内旁路故障模块，变频器降额并可长期运行，等适当时候停机处理。
7）良好的电压波动适应能力
CHH100系列高压变频器对电网电压在±15%范围内波动，变频器能满载输出;电网电压短时（30秒）下降至额定电压的65%时，可继续降额运行，不进行保护。
8）最有效的电磁干扰解决方案
深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器在模块设计上，独家采用后进线、前出线设计方案;结构方面和电气方面全面考虑电磁抗干扰措施，尤其是核心的控制板件，最有效保证变频器的可靠运行。
9）合理的散热系统
功率采用独立的散热风道，系统集中散热的方式，散热性能良好，满载长时间运行温升不超过25℃，良好的散热系统可以确保变频装置的高可靠性，并延长变频装置内部的器件使用寿命。
10）模块化设计
CHH100系列变频器，遵循模块化设计理念，功率单元采用模块化结构，各个相同的功率单元的结构、配置完全相同，可以非常方便的互换，从而利于生产的标准化，以及维修的标准化。
11）最简洁操作、最快捷维护
深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器具有人性化的接口设计、界面简洁清晰;操作方便，采用抽屉式模块设计，更换模块仅需5分钟;滤网更换方便、快捷。
3.改造项目介绍
1. 注水泵技术参数表
2.现有控制流量方式
常规情况下油田高压注水采用闸板阀门控制来调节流量和压力。根据工艺要求，不允许长时间小排量运行，否则泵内温度升高造成汽蚀和机件烧毁等问题，过去被迫采用大回流方法降低温升，造成电力的大量消耗，给油田造成了大量的能源损失。
在原设计系统工况中，用两台D（F）250-150注水泵进行系统注水。在未进行变频调速改造中，该工况的注水系统能耗损失主要在控制阀节流上。通过分析，只有通过结合配注量，降低水压，减少各注水井的阀门控制压差，才能达到节能降耗的目的。
4.注水泵变频调速的节能原理
注水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。注水泵的电动机的轴功率P与其流量Q，扬程H之间的关系式如下：
P∝Q×H （1）
当流量Q1由变化到Q2时，电动机的转速为N1、N2，此时Q、H、P相对于转速的关系如下：
Q2=Q1×（N2/N1）
H2=H1×（N2/N1）2
P2=P1×（N2/N1）3
由式（1）和式（2）可以看出，水泵的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。所以当需要80%的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80%，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2%，系统工作点变化如下图所示：
变频调速工作点示意图
从上图的特性示意图来分析，采用变频调速的节能效果。在额定情况下，系统工作在A点，当所需流量从Q1减小到Q2时，如果工频运行，流量减小，系统压力将增加，系统将工作在B点。如果水泵采用变频器进行调节，在系统压力满足要求时，系统将在C点运行，C点对应的X轴、Y轴的面积与B点对应的X轴、Y轴的面积之比即使变频消耗的功率与工频消耗的功率之比，同时还需考虑系统其它损耗。从图2、3中可以看出，在低速时，功率会有很大的下降。由于注水泵运行于额定转速以上是恒功率调速，此时注水泵效率很低，机械磨损大，容易损坏电机。从理论上讲，速度降低10%时会带来30%左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果。
5.注水泵系统的变频器方案
油田注水泵系统中有两台水泵长期运行，主要用于1250kW的水泵注水;因此所用的高压变频器可对注水泵进行一拖二的控制。
1.系统原理说明
由于注水泵的实际流量比泵的额定流量小，因此节电潜力较大。系统中注水泵的注水控制是由变频器通过变送器的回馈压力值，与事先预设在变频器中的压力值进行比较，变频器中的PID调节器自动根据差值进行运算调节控制变频器变频调速运行;同时，变频器的运行参数通过内部计算机接口和通讯协议传输至计算机工作站;在计算机上可以随时检测和控制系统运行压力、电动机转速、输入/输出电压、输入/输出电流等参数，达到系统自动节能运行的目的。
高压变频器内设了自动运行和工频降压启动运行两种运行方式，实现了自动和手动控制相结合的目的。
2.高压变频器系统与原有控制系统的比较
1）采用变频控制方式，其操作方便，无须手动调节进水阀门，极大的减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。
2）启动噪音低，在启动过程中电机从低频开始缓慢加速，经20秒后达到设定频率，由于启动电流很小，减小了对电网的冲击，保护了用电设备，延长了电动机的使用寿命，提高了电机的效率，节约维修成本。
3）系统采用一拖二控制方式，采用压力变送器反馈电流信号（4—20mA）至变频器中央处理器（CPU）,经PID控制组成闭环控制系统。其输出频率的大小由作用处理器控制，使电机的转速自动增加或降低;当压力超过设定的目标值时即（>5%）其中第一台电机转为工频运行，变频器启动第二台电机变频运行，保持水压恒定。这样不但减小了电动机的无功功率，而且提高了水泵的工作效率，节约了能源。
4）普通的工频控制方式（原有的控制方式）则不能实现这样的目的，其启动和停止需要人操作，还需要调节进水的阀门开关来满足工况要求，即费时又费力，且容易出现操作失误，造成不必要的损失。工频运行控制方式的电机的转速是不可调节的，并且启动电流大，当供水压力超过所需的压力值时需人工调节进水阀门的大小来满足供水压力。这时电机仍以满负荷运行，多余的功率就消耗在阀门上，能源浪费很大。
6.应用高压变频器后的效果分析
1. 系统使用高压变频器后的节能
1）考虑管网阻力损失等因素的影响，理论上综合平均节能值在30%以上。
2）按照节能30%计算，每天运行24个小时。则每天电动机的节能电度数为：
按照0.5元/kWh计算，每天节约的电费为：1250KW×0.85×30%×24H×0. 50元/天=3825元/天
若每月运行30天，则月节电费为： 3825元/天×30天=114750元/月
若每年运行12个月，则年节电费为： 114750元/月×12月=1377000元/年
2. 采用变频器是实现变水量控制节能的最有效措施
从以上实际工况中分析，采用变频调速的方式来满足生产的需要，使得注水泵既可大流量，也可小流量，既可高压力，也可低压力运行。可以用压力闭环或流量闭环控制注水的压力或流量，在注入站工况改变时，变频器可以使注水泵自动调节注水压力或流量。此时，泵的出口阀门全开，使泵的压差减至为零。这样，既节约了电能，又减少了阀门的维护量。还提高了系统的自动化水平，降低了系统的噪音，改善了工作的环境，减轻了工人的劳动强度。采用变频调速来获得实际需要的水流量，不但节约了电能，提高系统自动化运行程度;变频器自动根据需求量调节转速，而且平滑稳定，减少了人员的劳动强度;水泵的运行参数得以改进，系统效率大为提高。
7.结束语
综上所述 ,采用变频控制方式调速是现代工矿企业节能降耗的必然趋势，有利于提高企业的经济效益，自动运行时节能可达30%以上。通过对注水泵系统的变频调速的技术改造，经过较长时间的运行检验，证明该产品性能可靠、功能齐全、技术先进，说明国内自主开发的高压变频器在技术上已经处于世界先进水平。由于IGBT直接串联高压变频器无输入输出变压器、体积小、性价比高、综合性能好等方面均超过了国内外其它产品，是新一代高性能高压变频产品的代表，为高压变频调速技术在油田其它工序的技术改造提供了一条可行的途径，在高压变频改造领域具有极大的推广价值。
PLC在电解机床上的应用
一、电解加工简介
电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的机理实现对金属零件加工的，加工时工具阴极与零件不接触，所以工具阴极不损耗；同时，对材料的强度和韧性也没有要求。电解加工表面质量高，没有残余应力；电解加工效率很高，大约是机械加工的数倍到数十倍。
二、加工方式
⒈ 常规加工1（连续加工）
该加工方式是连续加工方式中的一种最简单应用。整个加工过程中只需要加工位置点和加工终点。当电极处于加工位置时，开始加工；电机处于加工终点时，开始快速退回至加工位置，此时计件数加一；再进行计件数与预置数比较，若小于则退回到加工状态继续循环加工，若大于则结束整件产品的加工。
⒉ 常规加工2（部分间歇加工）
该加工方式是下面正向间歇加工方式中的一种简单应用，用以满足连续加工。整个加工过程中需要加工零点、加工位置点和加工终点。加工顺序为：当电极处于加工零点时，开始分度；分度完毕后，开始加工，此时主轴慢速送进至零件表面，再退回一个初始间隙，然后打开整流器，送进速度改慢速为加工速度；当电极处于加工终点位置时，开始退回至加工零点。
⒊ 正向间歇加工
该加工方式是获得较高精度的电解加工的方式之一。效率很低，但复制精度很高，也有很高的利用价值。整个加工过程中需要加工零点、加工位置点和加工终点。加工顺序为： 当电机处于加工零点时，开始加工，此时主轴慢速进给至加工表面；当电机与工件短接时，主轴慢速退回一个加工间隙后开始通电加工，加工时间到，切断整流器；进行主轴位置与加工终点位置的比较，小于则退回一个冲刷间隙后，回到加工状态，若等于则进行加工终点的报警，同时快速退回至数字零点并报警提示可以分度，计件数加一；再进行计件数与预置数比较，若小于则分度完毕后回到加工状态，若等于则结束整件产品的加工。
⒋ 反向间歇加工
该加工方式也是获得较高精度的电解加工的方式之一。整个加工过程中需要加工零点、加工位置点和加工终点。加工顺序为：当电机处于加工零点时，开始加工，此时主轴慢速进给至加工表面；当电机与工件短接时，主轴慢速退回一个加工间隙和一个冲刷间隙后，主轴慢速进给至加工间隙位置开始通电加工，加工时间到，切断整流器；进行主轴位置与加工终点位置的比较，小于则回到主轴慢速退回一个加工间隙和一个冲刷间隙的加工状态上，若等于则进行加工终点的报警，同时快速退回至数字零点并报警提示可以分度，计件数加一；再进行计件数与预置数比较，若小于则分度完毕后回到加工状态，若等于则结束整件产品的加工。
四、硬件配置
FPG-C32T2
FPG-COM3
FPG-PP11
PWS-3700
MOTEC品牌5相步进驱动及电机
RSF光栅尺
五、系统功能说明
以下是人机界面上的主控画面：
通过在人机界面上选择不同的加工模式，PLC系统自动调用选用加工模式的各种参数，PLC控制完成以上四种加工方式的加工，并且监控系统运行过程中的各个参数，包括报警信息等等。报警信息有历史记录，方便对系统故障进行分析。
为了保障机床的最终加工精度，控制系统有两种加工方式，开环控制方式和闭环控制方式。开环控制方式由PLC控制系统根据加工参数控制驱动系统运动，同时为了保障精度，通过程序对机械部分进行反向间隙进行补偿控制。闭环控制方式是在机械部分增加了光栅尺反馈，由光栅尺决定最终的定位位置，使控制精度得到进一步提高。
由于在加工过程中不停的加入电解液，电解液电解后使得现场环境比较差，空气腐蚀性比较强，因此电气柜中增加机载空调，使电气柜内部形成密闭环境，以防止元器件受腐蚀老化，增加系统的可靠性。
六、总结
通过对机床的电气部分进行改造，增加了设备的加工方式和控制的灵活性，并且系统运行稳定，得到用户好评。
一、电解加工简介
电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的机理实现对金属零件加工的，加工时工具阴极与零件不接触，所以工具阴极不损耗；同时，对材料的强度和韧性也没有要求。电解加工表面质量高，没有残余应力；电解加工效率很高，大约是机械加工的数倍到数十倍。
二、加工方式
⒈ 常规加工1（连续加工）
该加工方式是连续加工方式中的一种最简单应用。整个加工过程中只需要加工位置点和加工终点。当电极处于加工位置时，开始加工；电机处于加工终点时，开始快速退回至加工位置，此时计件数加一；再进行计件数与预置数比较，若小于则退回到加工状态继续循环加工，若大于则结束整件产品的加工。
⒉ 常规加工2（部分间歇加工）
该加工方式是下面正向间歇加工方式中的一种简单应用，用以满足连续加工。整个加工过程中需要加工零点、加工位置点和加工终点。加工顺序为：当电极处于加工零点时，开始分度；分度完毕后，开始加工，此时主轴慢速送进至零件表面，再退回一个初始间隙，然后打开整流器，送进速度改慢速为加工速度；当电极处于加工终点位置时，开始退回至加工零点。
⒊ 正向间歇加工
该加工方式是获得较高精度的电解加工的方式之一。效率很低，但复制精度很高，也有很高的利用价值。整个加工过程中需要加工零点、加工位置点和加工终点。加工顺序为： 当电机处于加工零点时，开始加工，此时主轴慢速进给至加工表面；当电机与工件短接时，主轴慢速退回一个加工间隙后开始通电加工，加工时间到，切断整流器；进行主轴位置与加工终点位置的比较，小于则退回一个冲刷间隙后，回到加工状态，若等于则进行加工终点的报警，同时快速退回至数字零点并报警提示可以分度，计件数加一；再进行计件数与预置数比较，若小于则分度完毕后回到加工状态，若等于则结束整件产品的加工。
⒋ 反向间歇加工
该加工方式也是获得较高精度的电解加工的方式之一。整个加工过程中需要加工零点、加工位置点和加工终点。加工顺序为：当电机处于加工零点时，开始加工，此时主轴慢速进给至加工表面；当电机与工件短接时，主轴慢速退回一个加工间隙和一个冲刷间隙后，主轴慢速进给至加工间隙位置开始通电加工，加工时间到，切断整流器；进行主轴位置与加工终点位置的比较，小于则回到主轴慢速退回一个加工间隙和一个冲刷间隙的加工状态上，若等于则进行加工终点的报警，同时快速退回至数字零点并报警提示可以分度，计件数加一；再进行计件数与预置数比较，若小于则分度完毕后回到加工状态，若等于则结束整件产品的加工。
四、硬件配置
FPG-C32T2
FPG-COM3
FPG-PP11
PWS-3700
MOTEC品牌5相步进驱动及电机
RSF光栅尺
五、系统功能说明
以下是人机界面上的主控画面：
通过在人机界面上选择不同的加工模式，PLC系统自动调用选用加工模式的各种参数，PLC控制完成以上四种加工方式的加工，并且监控系统运行过程中的各个参数，包括报警信息等等。报警信息有历史记录，方便对系统故障进行分析。
为了保障机床的最终加工精度，控制系统有两种加工方式，开环控制方式和闭环控制方式。开环控制方式由PLC控制系统根据加工参数控制驱动系统运动，同时为了保障精度，通过程序对机械部分进行反向间隙进行补偿控制。闭环控制方式是在机械部分增加了光栅尺反馈，由光栅尺决定最终的定位位置，使控制精度得到进一步提高。
由于在加工过程中不停的加入电解液，电解液电解后使得现场环境比较差，空气腐蚀性比较强，因此电气柜中增加机载空调，使电气柜内部形成密闭环境，以防止元器件受腐蚀老化，增加系统的可靠性。
六、总结
通过对机床的电气部分进行改造，增加了设备的加工方式和控制的灵活性，并且系统运行稳定，得到用户好评。
09-03-25 12:08
基于PC机和单片机的激光加工机控制系统
1 引言
激光加工技术按应用可分为激光切割、激光焊接、激光热处理。它已在汽车、电子、电器、航空、航天、机械、冶金、能源、交通等行业中得到广泛的应用，与常规加工技术相比，激光加工存在如下的优势：
（1）由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的；
（2）它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、高熔点的材料；
（3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；
（4）激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位影响极小，因此其热影响区小，工件变形小，后续加工量小；
（5）由于激光束易于导向，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法；
（6）使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。
但现有的激光加工机多采用机械变速或单板机进行控制，存在着操作繁杂、控制单调、编程困难、程序不易保存、不直观等缺点，不能适应激光技术的使用要求，因此我们开发了多功能激光加工机的微机控制系统。本系统采用主从分布式控制，PC机作为主控制单元，51系列单片机作为从控制单元。即控制系统上位机为PC机，下位机为单片机系统。
2 系统组成与工作原理
2.1 系统硬件原理
图1中PC机为配置齐全的奔腾二代586微机，包括VGA彩显，通用键盘，一个20G硬盘，128M内存。考虑到本系统中有多项工作需同时执行，因而选用分布式控制方式，采用PC机和8031一单片机分布控制执行机构。
2.1.1 PC机的功能
作为主控制单元的PC机，其主要功能：
（1）完成信息加工。包括加工信息的输人、修改、缩放，并且把编辑的图形、汉字加工信息转换成系统所需要的控制信息。
（2）完成加工信息的开环模拟显示和加工过程中的即时加工轨迹的显示。
2.1.2 8031单片机的功能
作为从控制单元8031单片机，主要功能：
（1）接受主控制单元生成的控制信息，将其转化为步进电机所需的电脉冲，脉冲的频率特性和占空比满足步进电机驱动电源的要求。
（2）步进电机的脉冲分配器。脉冲分配器采用软件实现，因而电机的升、降频均实行实时软件控制，大大降低了电机运行时和升、降频时的失步、增步、颤抖和噪音。
2.2 主从控制单元的通讯方式
本系统的主控单元和从控单元不必分开，把从控制单元做成了PC总线扩展板，直接插人主控单元的扩展槽中，通过PC总线直接通讯，从控单元共用主机电源，这样不仅优化了系统结构，而且提高了系统可靠性。
主从单元的通讯线路如图2所示： 本系统采用I/O通讯方式，其中PC总线上的ADDR为根据需要所选用的空闲的PC机I/O地址，IORQ1为8031的数据I/O口地址。例如，当ADDR和IOW同时有效时，就可把要传送的数据传送到Ul中暂存，当8031的RD和IORQ1同时有效时，8031就可由IORQ1口地址中读人数据。当IORQ 1和WR同时有效时，就可把要传送给PC机的数据传送到U2暂存，当PC的ADDR和IOR同时有效时，PC机就可由ADDR口地址读入数据。
2.3 从控单元（8031）系统
由于本系统的控制对象是分别带动两个移动轴的步进电机，因而从控单元除了与主控单元的通讯电路外，还有两个传送数据的输出口IORQ2和IORQ3。如图3所示：8255的PA口对应的是X向步进电机，PB口对应的是Y向步进电机，同时8255的PA、PB口分别对应于8031的I/O口地址IORQ2,IORQ3。例如,8031要输出X向电机的脉冲，那么只要把相应的脉冲数据写人IORQ2即可。
2.4 接口电路
接口电路的主要作用是：
（1）电压隔离功能：单片机的工作电压是＋5V，而步进电机则工作在几十伏，甚至一百多伏电压。处理不当，会损坏控制系统，因而接口电路应能把控制系统和步进电机回路隔离开来。
（2）电流放大功能：作为步进电机功放电路的前置放大电路，把单片机输出的信号进行电流放大，以便向步进电机提供足够大的驱动电流。
电压隔离电路如图4所示，由单片机输出的高电平信号经反相后，成为低电平，令T1截止，＋5V经330欧电阻供给发光管，则光电耦合器OT中的发光二极管发光，OT中的光敏三极管导通，从而使T2导通，Vout输出高电平，送到电流放大电路。
2.5 步进电机
步进电机是本系统执行机构，系统的控制对象就是带动X向和Y向两个步进电机。X向和Y向分别选用130BF001型和150BF003型大功率高频步进电机。
3 应用软件设计
由上述系统结构和原理中得知，系统要加工的图形或汉字等信息都是通过主控单元PC机来编辑、处理、模拟运行以及在线运行显示。这一邵分程序米用TURBO C语言编写。
3.1 步进电机正、反转子程序
下面介绍一下利用单片机控制步进电机的软接口。
130BF001和150BF003电机均是五相电机，电机的工作方式是五相十拍方式，电机的五相分别为A,B,C,D,E相，那么正转时通电的相序为：ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB-ABC。如果A,B,C,D,E五相的相位分别对应于数据线的DO～D4位，那么控制信息串为：07H-06H-OEH-OCH-ICH-18H-19H-11H-13H-03H-07H。电机反转时的通电相序和控制信息串与正转时相反。其程序如下：
在上述程序中，DJAA程序是电机的正转子程序，DJFA程序是电机的反转子程序，相位控制串依次存在以TAB为首地址的存储空间。正转时，相位值加“1”，从-1到9循环变化，将电机相序按正转方向送出，以实现电机正转；反转时犷相位值减“1”，从10到0循环变化，将电机相序按反转方向送出，以使电机反转。
3.2 单片机8031工作程序框图
3.2.1 主程序框图
主程序框图如画5所示
3.2.2 初始化子程序框图
初始化子程序框图，如图6所示。其中，置电机相序是将静止的电机锁定在指定的相序，加工速度是由用户在实际加工过程中，根据激光器的功率，加工工件的衬料随时设定的，由PC机输入，再由PC机传送给单片机。
.2.3 开（关）光闸子程序框图
开（关）光闸子程序框图如图7所示。激光器的光闸是气动元件来开（关）的，所以开（关）的信号送出后，需要一段延时，以确保光闸完全开（关）后，再进行其他的操作。注意：对同一激光器，开光闸和关光闸的延时是不一样的，对不同的激光器，延时也是不一样的，需作调整。
4 结束语
本控制系统已经与青岛中发激光技术有限公司的GLS-Ⅱ型激光热处理机、GLS-Ⅲ型多功能加工机配套，实践证实了其控制是可靠的，其工作是稳定的。该控制系统具备下列功能：
（1）可完成要用激光加工的汉字、图形的编辑功能，采用全屏幕编辑，直观、方便，具备编辑信息的无级缩放功能；
（2）汉字系统使用矢量字库，可根据用户需要提供楷体、黑体、仿宋体、宋体、魏碑等十几种字库、国标汉字；
（3）具有对平面图（直线、斜线、圆、圆弧、椭圆、双曲线、正余弦曲线、螺旋线）的编辑功能，用户可根据需要进行修改、处理，可作精度修改（内外缘）；
（4）该系统中的网络加工功能，可专用于汽车发动机配套的内；
（5）具备在屏幕上开环模拟显示激光光点移动轨迹的功能，在加工过程中，具备显示激光光点的实际位置的功能，这样可使用户监视系统的运行，如果有偏移或异常发生，可即时实行补救措施，确保系统的准确度；
（6）由于系统图形和文字编辑功能完善，精确度高（角精度为0.0375度，线精度为0.0lmm），可适应于广告业、装演业、各种轴、法兰、套类零件的加工以及模具加工等行业。
另外，由于本系统的图形和文字编辑功能完善，精确度高，完全可以应用于线切割，模具加工等机械的控制。
1 引言
激光加工技术按应用可分为激光切割、激光焊接、激光热处理。它已在汽车、电子、电器、航空、航天、机械、冶金、能源、交通等行业中得到广泛的应用，与常规加工技术相比，激光加工存在如下的优势：
（1）由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的；
（2）它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、高熔点的材料；
（3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；
（4）激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位影响极小，因此其热影响区小，工件变形小，后续加工量小；
（5）由于激光束易于导向，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法；
（6）使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。
但现有的激光加工机多采用机械变速或单板机进行控制，存在着操作繁杂、控制单调、编程困难、程序不易保存、不直观等缺点，不能适应激光技术的使用要求，因此我们开发了多功能激光加工机的微机控制系统。本系统采用主从分布式控制，PC机作为主控制单元，51系列单片机作为从控制单元。即控制系统上位机为PC机，下位机为单片机系统。
2 系统组成与工作原理
2.1 系统硬件原理
图1中PC机为配置齐全的奔腾二代586微机，包括VGA彩显，通用键盘，一个20G硬盘，128M内存。考虑到本系统中有多项工作需同时执行，因而选用分布式控制方式，采用PC机和8031一单片机分布控制执行机构。
2.1.1 PC机的功能
作为主控制单元的PC机，其主要功能：
（1）完成信息加工。包括加工信息的输人、修改、缩放，并且把编辑的图形、汉字加工信息转换成系统所需要的控制信息。
（2）完成加工信息的开环模拟显示和加工过程中的即时加工轨迹的显示。
2.1.2 8031单片机的功能
作为从控制单元8031单片机，主要功能：
（1）接受主控制单元生成的控制信息，将其转化为步进电机所需的电脉冲，脉冲的频率特性和占空比满足步进电机驱动电源的要求。
（2）步进电机的脉冲分配器。脉冲分配器采用软件实现，因而电机的升、降频均实行实时软件控制，大大降低了电机运行时和升、降频时的失步、增步、颤抖和噪音。
2.2 主从控制单元的通讯方式
本系统的主控单元和从控单元不必分开，把从控制单元做成了PC总线扩展板，直接插人主控单元的扩展槽中，通过PC总线直接通讯，从控单元共用主机电源，这样不仅优化了系统结构，而且提高了系统可靠性。
主从单元的通讯线路如图2所示： 本系统采用I/O通讯方式，其中PC总线上的ADDR为根据需要所选用的空闲的PC机I/O地址，IORQ1为8031的数据I/O口地址。例如，当ADDR和IOW同时有效时，就可把要传送的数据传送到Ul中暂存，当8031的RD和IORQ1同时有效时，8031就可由IORQ1口地址中读人数据。当IORQ 1和WR同时有效时，就可把要传送给PC机的数据传送到U2暂存，当PC的ADDR和IOR同时有效时，PC机就可由ADDR口地址读入数据。
2.3 从控单元（8031）系统
由于本系统的控制对象是分别带动两个移动轴的步进电机，因而从控单元除了与主控单元的通讯电路外，还有两个传送数据的输出口IORQ2和IORQ3。如图3所示：8255的PA口对应的是X向步进电机，PB口对应的是Y向步进电机，同时8255的PA、PB口分别对应于8031的I/O口地址IORQ2,IORQ3。例如,8031要输出X向电机的脉冲，那么只要把相应的脉冲数据写人IORQ2即可。
2.4 接口电路
接口电路的主要作用是：
（1）电压隔离功能：单片机的工作电压是＋5V，而步进电机则工作在几十伏，甚至一百多伏电压。处理不当，会损坏控制系统，因而接口电路应能把控制系统和步进电机回路隔离开来。
（2）电流放大功能：作为步进电机功放电路的前置放大电路，把单片机输出的信号进行电流放大，以便向步进电机提供足够大的驱动电流。
电压隔离电路如图4所示，由单片机输出的高电平信号经反相后，成为低电平，令T1截止，＋5V经330欧电阻供给发光管，则光电耦合器OT中的发光二极管发光，OT中的光敏三极管导通，从而使T2导通，Vout输出高电平，送到电流放大电路。
2.5 步进电机
步进电机是本系统执行机构，系统的控制对象就是带动X向和Y向两个步进电机。X向和Y向分别选用130BF001型和150BF003型大功率高频步进电机。
3 应用软件设计
由上述系统结构和原理中得知，系统要加工的图形或汉字等信息都是通过主控单元PC机来编辑、处理、模拟运行以及在线运行显示。这一邵分程序米用TURBO C语言编写。
3.1 步进电机正、反转子程序
下面介绍一下利用单片机控制步进电机的软接口。
130BF001和150BF003电机均是五相电机，电机的工作方式是五相十拍方式，电机的五相分别为A,B,C,D,E相，那么正转时通电的相序为：ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB-ABC。如果A,B,C,D,E五相的相位分别对应于数据线的DO～D4位，那么控制信息串为：07H-06H-OEH-OCH-ICH-18H-19H-11H-13H-03H-07H。电机反转时的通电相序和控制信息串与正转时相反。其程序如下：
在上述程序中，DJAA程序是电机的正转子程序，DJFA程序是电机的反转子程序，相位控制串依次存在以TAB为首地址的存储空间。正转时，相位值加“1”，从-1到9循环变化，将电机相序按正转方向送出，以实现电机正转；反转时犷相位值减“1”，从10到0循环变化，将电机相序按反转方向送出，以使电机反转。
3.2 单片机8031工作程序框图
3.2.1 主程序框图
主程序框图如画5所示
3.2.2 初始化子程序框图
初始化子程序框图，如图6所示。其中，置电机相序是将静止的电机锁定在指定的相序，加工速度是由用户在实际加工过程中，根据激光器的功率，加工工件的衬料随时设定的，由PC机输入，再由PC机传送给单片机。
.2.3 开（关）光闸子程序框图
开（关）光闸子程序框图如图7所示。激光器的光闸是气动元件来开（关）的，所以开（关）的信号送出后，需要一段延时，以确保光闸完全开（关）后，再进行其他的操作。注意：对同一激光器，开光闸和关光闸的延时是不一样的，对不同的激光器，延时也是不一样的，需作调整。
4 结束语
本控制系统已经与青岛中发激光技术有限公司的GLS-Ⅱ型激光热处理机、GLS-Ⅲ型多功能加工机配套，实践证实了其控制是可靠的，其工作是稳定的。该控制系统具备下列功能：
（1）可完成要用激光加工的汉字、图形的编辑功能，采用全屏幕编辑，直观、方便，具备编辑信息的无级缩放功能；
（2）汉字系统使用矢量字库，可根据用户需要提供楷体、黑体、仿宋体、宋体、魏碑等十几种字库、国标汉字；
（3）具有对平面图（直线、斜线、圆、圆弧、椭圆、双曲线、正余弦曲线、螺旋线）的编辑功能，用户可根据需要进行修改、处理，可作精度修改（内外缘）；
（4）该系统中的网络加工功能，可专用于汽车发动机配套的内；
（5）具备在屏幕上开环模拟显示激光光点移动轨迹的功能，在加工过程中，具备显示激光光点的实际位置的功能，这样可使用户监视系统的运行，如果有偏移或异常发生，可即时实行补救措施，确保系统的准确度；
（6）由于系统图形和文字编辑功能完善，精确度高（角精度为0.0375度，线精度为0.0lmm），可适应于广告业、装演业、各种轴、法兰、套类零件的加工以及模具加工等行业。
另外，由于本系统的图形和文字编辑功能完善，精确度高，完全可以应用于线切割，模具加工等机械的控制。
09-03-25 12:13
高压变频器在电厂上的应用
1.引言
高压交流变频调速技术是上世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速）。变频调速以其显著的节能效益、高精确的调速精度、宽范围的调速范围、完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务，使之成为企业采用电机节能方式的首选。
山东德州沪平永发造纸集团有限公司始建于1987年,其前身系平原县板纸厂,1992年与香港永发印务有限公司合资组建德州沪平永发造纸有限公司，是平原县首家合资企业。公司位于三国古城平原县城西10km,西邻105国道3km,位置优越,交通便利。公司占地面积148万m2，员工1880人，资产总额7.3亿元，其中固定资产5.5亿元。建有8条高强瓦楞原纸生产线（另有在建3条），采用亚铵法半化学浆制浆工艺，以麦草和进口废纸为原料，现年设计生产能力20万吨（在建工程投产后年设计生产能力将达30万吨），配套建设18MW热电厂和35KV变电站，同时配建4万m3/d悬挂链式深层曝气废水生化处理工程和300t/d卧管式黑液喷膜蒸发站（六体五效）工程，以制浆黑液为原料生产黏合剂和干粉，年产量约10万吨。公司年销售收入近10亿元，年利税超亿元，是山东省内集制浆、造纸、发电、治污、废液综合开发利用于一体的规模较大的重点造纸企业。
2.变频节能改造项目
该自备发电厂中的风机、水泵配置的电动机基本上都是250kW至400KW的高压电动机，因此变频变流量节能应用都需要高压变频器。但生产流程中处在不同位置的风机或水泵，和高压变频器组成的控制系统跟踪的目标是不同的，节能的效果也是不同的。
火力发电厂生产流程示意图
如图中的循环水泵8。因冷却水受发电负荷、气候的影响，冷却水温会发生变化，从而影响冷凝器4的冷凝压力并波及汽轮机3的出力和效率，即影响发电机18的出力和效率，因此循环水泵8和高压变频器组成的控制系统应当跟踪的是冷凝器4的冷凝压力，以克服发电负荷、气候变化对发电效率的影响，保持发电机组在变工况的高效运行，同时由于控制系统能够根据发电出力和气候变化自动调节冷却水量，冷却泵8也以最小的能耗，实现了发电系统的高效运行，自身也得到了最大的节能效果。
又如，图中的引风机17，分析它和变频器构成的控制系统跟踪的应是锅炉炉膛21的负压恒定，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时变锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统变工况时的高效运行。
再如，图中的送风机15，分析它和变频器、蒸汽用量传感器、煤量传感器构成的复合控制系统跟踪的应是锅炉燃烧的风煤比，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统的高效运行。
分析引风机17和送风机15的变频变流量控制系统都基本上是定压变流量系统，这是风机、水泵节能工程中最常用的模式。虽然从理论上可以证明定压变流量节能模式是不节能的，但如果它服从整个发电系统高效运行的整体目标，以最小的代价实现整个发电系统的高效运行，发电系统总体上仍是节能的，它为系统的整体节能目标做出了贡献，也就发挥了变频器的极致作用，取得了优良的节能效果。同时由于风机、水泵配置容量比实际的需求容量普遍偏大（至少大30%），变频器的使用也有掩盖这个缺点取得“遮丑”的节能效果。
3.自备发电厂中的风机、水泵改造过程简述
近两年，高压变频器发展迅猛，涌现出生产高压变频器的大小厂数十家。但是，各厂家的主拓扑结构都相差无几。通过各种途径的考察与比较，山东德州沪平永发造纸集团有限公司最终选择深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列高压变频器， 在2008年09月在该自备发电厂中的风机、水泵配置的电动机安装高压变频器, 进行变频节能改造，都取得良好的节能效果，下面对改造情况作一简单介绍。
1.为减小安装成本，动力电缆保留了原高压柜至电机的电缆，将电缆原接线由高压柜牵至高压变频器，再重新由高压柜到高压变频器敷设一根动力电缆，由于高压变频器房紧邻高压室，此电缆长度较短。
2.高压变频器具有远程和本机控制功能。本机控制时通过高压变频器控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频器，可以调整电机转速、频率。远程控制放在控制室，设有操作台和上位机，由配电工操作控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况，通过操作台可实现对高压变频器进行简单的远方操作。配电工可以根据工况自由选定高压变频器“手动/自动”调速运行。
3.系统要求控制的压力值由手操器给定（4～20mA电流信号），母管压力反馈信号经压力变送器检测后，再由DCS供给。压力比较和PID运算均由DCS完成，其变换出来信号作为变频器给定信号，以控制电动机转速，使管网的压力稳定在压力设定值上，达到自动跟踪管网压力的目的。同时，通过变频器的模拟量输出接口将管网压力、实际电压、电流、频率反馈到DCS监控系统上。变频器仍然作为一个执行机构，类似挡板特性，只是时间系数需要重新调整，这种调节方式比较简便合理，只需要DCS根据以往的工频调节方式增加变频调节回路，以前的工频挡板控制方式继续保留备用。
4.自备发电厂中的风机、水泵变频调速节能分析计算
1.风机水泵变频调速的节能原理
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机水泵的性能曲线，使风机水泵的额定参数满足工艺要求，根据风机水泵的相似定律，变速前后流量、压力、功率与转速之间的关系为：
Q1/Q2=N1/N2
H1/H2=（N1/N2） ?
P1/P2= （N1/N2）?
Q1、H1、P1—风机水泵在N1转速时的流量、压力、功率
Q2、H2、P2—风机水泵在N2转速时相似工况下的流量、压力、功率
假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，风机水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，风机水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。
降低了转速，流量就不再用关小阀门来控制，阀门始终处于全开状态，避免了由于关小阀门引起的压力损失增加，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。
工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗WS=0.5JωO2（1+R1/R2）TM/ TM- TL，风机水泵负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以TM/ TM- TL =1计。而变频软起动损耗很小，只有上述WS的1/10，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
2. 自备发电厂中的风机、水泵高压变频调速节能分析计算
（1）设备参数
（2）发电机不同负荷下风机运行参数统计
（3）风机水泵节能效果分析计算
工频情况的功率计算：
由于在运行过程中，炉侧需根据机组负荷变化的要求同时调整A、B风机水泵完成过程控制量的调节，且A、B风机水泵运行性能指标一致;因此可以对A、B引风机运行数据分别合并处理。并且采用流量百分比和挡板开度之间关系的变化趋势曲线对风机水泵的变频功耗进行推倒。
Pd：电动机功率;U：电动机输入电压;I：电动机输入电流;COSφ：功率因数。计算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。现取14、17MW负荷点的平均开度百分比和电动机总功率数据对100%开度情况下的总耗电功率数据特性趋势进行计算，并且推测出100%开度情况下的总耗电功率值,即：100%挡板开度电动机全速运行情况下的实际总功率.
变频情况下的功率计算及节电率分析：
风机设备属平方转矩负载，其转速N与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，
轴功率与转速的立方成正比。通过风机数据，依据
P//Pdn=（ N // N0）3=（Q//Q0）3公式
可依次求得风机在采用变频调速运行时各负荷对应的风机总功耗。Pdn为挡板100%全开情况下的功率值等于P100。对于风机负载，阀门开度的比值可近似看成是流量的比值。
变频运行情况下，较工频运行情况下的节电率：
л= （Pd- Pb）/ Pd×100%。
5.结束语
随着厂网分开，竞价上网日趋激烈，如何降低发电成本、提高发电企业竞价上网的竞争能力、加强内部管理、挖潜节能是电厂必须认真研究的一件大事，采用高压变频器对电厂高能耗用电设备如：送风机、引风机、给水泵、循环水泵等技术改造，不仅能收到直接的降低厂用电、降低供电煤耗，增大上电网电量带来的直接经济效益，而且设备乃至机组的安全可靠性提高，减少机组故障带来的隐形经济效益。高压变频器技术在发电厂有值得推广应用的广阔空间。
1.引言
高压交流变频调速技术是上世纪90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速）。变频调速以其显著的节能效益、高精确的调速精度、宽范围的调速范围、完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务，使之成为企业采用电机节能方式的首选。
山东德州沪平永发造纸集团有限公司始建于1987年,其前身系平原县板纸厂,1992年与香港永发印务有限公司合资组建德州沪平永发造纸有限公司，是平原县首家合资企业。公司位于三国古城平原县城西10km,西邻105国道3km,位置优越,交通便利。公司占地面积148万m2，员工1880人，资产总额7.3亿元，其中固定资产5.5亿元。建有8条高强瓦楞原纸生产线（另有在建3条），采用亚铵法半化学浆制浆工艺，以麦草和进口废纸为原料，现年设计生产能力20万吨（在建工程投产后年设计生产能力将达30万吨），配套建设18MW热电厂和35KV变电站，同时配建4万m3/d悬挂链式深层曝气废水生化处理工程和300t/d卧管式黑液喷膜蒸发站（六体五效）工程，以制浆黑液为原料生产黏合剂和干粉，年产量约10万吨。公司年销售收入近10亿元，年利税超亿元，是山东省内集制浆、造纸、发电、治污、废液综合开发利用于一体的规模较大的重点造纸企业。
2.变频节能改造项目
该自备发电厂中的风机、水泵配置的电动机基本上都是250kW至400KW的高压电动机，因此变频变流量节能应用都需要高压变频器。但生产流程中处在不同位置的风机或水泵，和高压变频器组成的控制系统跟踪的目标是不同的，节能的效果也是不同的。
火力发电厂生产流程示意图
如图中的循环水泵8。因冷却水受发电负荷、气候的影响，冷却水温会发生变化，从而影响冷凝器4的冷凝压力并波及汽轮机3的出力和效率，即影响发电机18的出力和效率，因此循环水泵8和高压变频器组成的控制系统应当跟踪的是冷凝器4的冷凝压力，以克服发电负荷、气候变化对发电效率的影响，保持发电机组在变工况的高效运行，同时由于控制系统能够根据发电出力和气候变化自动调节冷却水量，冷却泵8也以最小的能耗，实现了发电系统的高效运行，自身也得到了最大的节能效果。
又如，图中的引风机17，分析它和变频器构成的控制系统跟踪的应是锅炉炉膛21的负压恒定，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时变锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统变工况时的高效运行。
再如，图中的送风机15，分析它和变频器、蒸汽用量传感器、煤量传感器构成的复合控制系统跟踪的应是锅炉燃烧的风煤比，以保证在发电变负荷、大气压力随气候变化时锅炉的高效燃烧，从而保持发电系统的高效运行。
分析引风机17和送风机15的变频变流量控制系统都基本上是定压变流量系统，这是风机、水泵节能工程中最常用的模式。虽然从理论上可以证明定压变流量节能模式是不节能的，但如果它服从整个发电系统高效运行的整体目标，以最小的代价实现整个发电系统的高效运行，发电系统总体上仍是节能的，它为系统的整体节能目标做出了贡献，也就发挥了变频器的极致作用，取得了优良的节能效果。同时由于风机、水泵配置容量比实际的需求容量普遍偏大（至少大30%），变频器的使用也有掩盖这个缺点取得“遮丑”的节能效果。
3.自备发电厂中的风机、水泵改造过程简述
近两年，高压变频器发展迅猛，涌现出生产高压变频器的大小厂数十家。但是，各厂家的主拓扑结构都相差无几。通过各种途径的考察与比较，山东德州沪平永发造纸集团有限公司最终选择深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的CHH100系列高压变频器， 在2008年09月在该自备发电厂中的风机、水泵配置的电动机安装高压变频器, 进行变频节能改造，都取得良好的节能效果，下面对改造情况作一简单介绍。
1.为减小安装成本，动力电缆保留了原高压柜至电机的电缆，将电缆原接线由高压柜牵至高压变频器，再重新由高压柜到高压变频器敷设一根动力电缆，由于高压变频器房紧邻高压室，此电缆长度较短。
2.高压变频器具有远程和本机控制功能。本机控制时通过高压变频器控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频器，可以调整电机转速、频率。远程控制放在控制室，设有操作台和上位机，由配电工操作控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况，通过操作台可实现对高压变频器进行简单的远方操作。配电工可以根据工况自由选定高压变频器“手动/自动”调速运行。
3.系统要求控制的压力值由手操器给定（4～20mA电流信号），母管压力反馈信号经压力变送器检测后，再由DCS供给。压力比较和PID运算均由DCS完成，其变换出来信号作为变频器给定信号，以控制电动机转速，使管网的压力稳定在压力设定值上，达到自动跟踪管网压力的目的。同时，通过变频器的模拟量输出接口将管网压力、实际电压、电流、频率反馈到DCS监控系统上。变频器仍然作为一个执行机构，类似挡板特性，只是时间系数需要重新调整，这种调节方式比较简便合理，只需要DCS根据以往的工频调节方式增加变频调节回路，以前的工频挡板控制方式继续保留备用。
4.自备发电厂中的风机、水泵变频调速节能分析计算
1.风机水泵变频调速的节能原理
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变风机水泵的性能曲线，使风机水泵的额定参数满足工艺要求，根据风机水泵的相似定律，变速前后流量、压力、功率与转速之间的关系为：
Q1/Q2=N1/N2
H1/H2=（N1/N2） ?
P1/P2= （N1/N2）?
Q1、H1、P1—风机水泵在N1转速时的流量、压力、功率
Q2、H2、P2—风机水泵在N2转速时相似工况下的流量、压力、功率
假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，风机水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，风机水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。
降低了转速，流量就不再用关小阀门来控制，阀门始终处于全开状态，避免了由于关小阀门引起的压力损失增加，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。
工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗WS=0.5JωO2（1+R1/R2）TM/ TM- TL，风机水泵负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以TM/ TM- TL =1计。而变频软起动损耗很小，只有上述WS的1/10，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
2. 自备发电厂中的风机、水泵高压变频调速节能分析计算
（1）设备参数
（2）发电机不同负荷下风机运行参数统计
（3）风机水泵节能效果分析计算
工频情况的功率计算：
由于在运行过程中，炉侧需根据机组负荷变化的要求同时调整A、B风机水泵完成过程控制量的调节，且A、B风机水泵运行性能指标一致;因此可以对A、B引风机运行数据分别合并处理。并且采用流量百分比和挡板开度之间关系的变化趋势曲线对风机水泵的变频功耗进行推倒。
Pd：电动机功率;U：电动机输入电压;I：电动机输入电流;COSφ：功率因数。计算公式：Pd=1.732×U×I×COSφ。现取14、17MW负荷点的平均开度百分比和电动机总功率数据对100%开度情况下的总耗电功率数据特性趋势进行计算，并且推测出100%开度情况下的总耗电功率值,即：100%挡板开度电动机全速运行情况下的实际总功率.
变频情况下的功率计算及节电率分析：
风机设备属平方转矩负载，其转速N与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝N,H∝N2,P∝N3,即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，
轴功率与转速的立方成正比。通过风机数据，依据
P//Pdn=（ N // N0）3=（Q//Q0）3公式
可依次求得风机在采用变频调速运行时各负荷对应的风机总功耗。Pdn为挡板100%全开情况下的功率值等于P100。对于风机负载，阀门开度的比值可近似看成是流量的比值。
变频运行情况下，较工频运行情况下的节电率：
л= （Pd- Pb）/ Pd×100%。
5.结束语
随着厂网分开，竞价上网日趋激烈，如何降低发电成本、提高发电企业竞价上网的竞争能力、加强内部管理、挖潜节能是电厂必须认真研究的一件大事，采用高压变频器对电厂高能耗用电设备如：送风机、引风机、给水泵、循环水泵等技术改造，不仅能收到直接的降低厂用电、降低供电煤耗，增大上电网电量带来的直接经济效益，而且设备乃至机组的安全可靠性提高，减少机组故障带来的隐形经济效益。高压变频器技术在发电厂有值得推广应用的广阔空间。
09-03-25 12:17
风光高压变频器在鲁西化工脱硫罗茨风机上的应用
1 企业介绍
山东鲁西化工股份有限公司位于山东省聊城市，是一家具有百亿年产值的上市企业，员工近万人。公司具有年产合成氨
100万吨、尿素150万吨、复合肥150万吨、磷酸二铵15万吨、硫酸100万吨的生产能力，拥有10万千瓦发电机组配套装置，是集化肥、化工于一体的综合性化学工业企业，是目前全国最大的化肥生产企业之一。其下属企业鲁西化工第八化肥厂，位于聊城市东阿县顾官屯镇鲁西化工工业园内，始建于2006年，于2007年2月建成投产，目前企业现有职工632人，占地总面积12.8万平方米，现资产4.28亿元。
2 厂家工艺流程及现状
脱硫风机采用的罗茨风机属于回转容积式鼓风机，它的鼓风量与风机转速成正比，基本不受出风口阻力变化的影响，这种硬风特性决定了不允许通过关闭出风口或进风口的办法来调节风量，而且经过采取优化以上主要工艺环节措施以后,大量过剩风量调节只能采用旁路，造成风机能量的大量损耗，而且由于磨损而腐蚀问题突出，旁通阀门需要经常维修。该生产线自投运以来，发现该二系统脱硫风机的问题较大：首先是风机出口的管道振动大，噪声大，虽说经过几次的技改已有所改善，但仍存在问题；另外，目前风机送风量能力远超生产能力，为保生产，只能把多余的通过回流管道接到风机进口去。采用甲烷化法脱硫除原料气中CO、CO2 时, 合成氨工艺流程图如图1所示。
图1 合成氨工艺流程
造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机2段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机3、4、5段 ->氨合成 ->产品NH3
原系统设备参数
罗茨风机参数型号ARSH-700HGE3
额定流量：686m /min
风机全压：49KP
轴功率：710kW
配套电机参数
型号：YAKS630-12W
额定功率：710kW
额定电压：10kV
额定电流：56.4A
额定转速：495rpm
3 改造方案
改造前：原系统10kV高压开关柜直接到电机，电机与风机相连。
改造后：在原系统10kV高压开关柜后面加入变频器，变频器输出接电机，电机再与风机相连。
改造方案原理接线图如图2所示。
图2 改造后方案原理接线图
变频器配备了自动旁路柜，通过KM3、KM4的控制，可自动（或手动）在变频状态和工频状态之间切换。变频状态下,KM3闭合，KM4断开，变频器控制电机；工频状态下，KM3断开，KM4闭合，在切换至工频带动电机。变频器可以在重故障时自动切换工频运行，这样既保证了变频器正常运行，又避免了直接启动电机大电流对电网的冲击。
4 现场运行情况
2008年5月16日，山东聊城鲁西化工第八化肥厂和我公司签订高压变频器购货合同，型号为JD-BP38-800F。2008年6月6日，开始安装就位；2008年6月13日，一次调试成功投入运行。整个变频器安装调试周期都很短，为系统的正常生产提供了有利的保证。5 节能效果在今年6月初，我厂就山东新风光电子科技发展有限责任公司生产的JD-BP38-800F变频器应用于4#脱硫罗茨风机进行了改造。由于我厂的每台高压变频器在出厂前均经过实际风机负载的整机出厂检验和调试，在现场的调试又可以在没有高压输入的情况下调试，因此在经过约一周的施工和安装、调试后，上电试验和试运行进行顺利，一次投运成功，高压变频器一直持续稳定运行。
根据生产情况，风机运行30Hz左右就能满足了生产工艺要求；运行转速在额定转速的60%左右。由于电机为水冷却，在低转速下发热量并没有提高，完全满足了工况运行。
变频改造后节能效果显著，与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动机能耗大大降低，节约电量可达50％。特别是机组低负荷运行时，效果更显著。以下为节能效果估算：
节能估算条件：是在同一时间段内进行比较，相同生产条件需求下，工频和变频运行比较节能估算。首先6月份是正常生产时期，6月13日开始投入变频至今。从6月13日至16日未投变频时耗电能有功功率平均在649kW，而7日投入变频运行后8日至14日时耗电能有功功率平均在370kW。以上数据不难看出投入变频后确实起到节能效果。另外，无功功率也从原来的平均554KVar降到平均为135KVar左右，大大改善了系统的无功补偿。
根据以上数据计算，由于生产使用自备发电，以0.386元/kWH的成本价电费，按以下计算公式计算，年节电效益＝(工频时平均功率-变频时平均功率）×天运行小时数×年运行天数×电费单价；结果如下：
（649kW-370kW）×24小时/天×300天/年×0.386元/kWH=77.54（万元/年）。
按照保守的计算方法，每年可节电费77万多元，具有明显的经济效益。
本次罗茨风机配套用风光牌高压变频调速系统改造成功后，由于实现了频率的远方调节和状态监控，产品运行可靠、稳定，大大改善了工艺，该公司决定再次采购一套风光牌高压变频调速系统用于另外一套710kW罗茨风机配套电动机的变频技术改造。
6 其他效益
（1）该罗茨风机由于采用变频控制，可对风量进行精确控制，而且与阀门控制相比更直观、方便调节风机风量来满足生产需要。
（2）由于采用了变频技术，电机实现软启动，不存在启动电流冲击；原来没有使用变频器时电机直接启动，启动电流高达200-300A，对电机或电网都具有不利的影响。现在使用变频器软启动，启动电流不高于额定电流54.6A,减少了风机出口压力瞬间提高对风机的冲击，从而延长了风机和其他设备的使用寿命。
（3）由于风机转速降为原来的60％，大大减少了风机管道振动频率和噪声，延长风机、电机轴承的机械寿命，减少了设备的维护量。
（4）由于旁通阀门几乎不操作，减少了风道的振动与磨损腐蚀，提高了机械寿命。
7 变频改造总结
根据针对该项目的变频改造经验以及同类其他项目的实践结果，总结出风光高压变频器改造具有以下优点：
（1）安装简单。变频器安装在高压开关柜和电机之间，对原有接线改动不大。
（2）操作简单。具有友好的人机界面，设备只有开机、停机和频率调整操作。
（3）调速平滑。能够进行无级调速，调速范围宽，并且调速精度高。
（4）节电明显。根据工况要求，变频器一般运行在27Hz左右，实际输入电流不到额定电流的一半，节电率高达50%以上。
（5）噪音降低。由于电机运行于较低转速上，运行噪音大大降低，电机的发热量也有明显下降。
（6）保护完善。变频调速系统具有完善的保护功能，降(上接第186页)当以上实产数据和质检数据都已存在后，就可以通过各种报表和台账展现出来，供调度人员和各级领导方便地查询，如图7和图8所示。
图7
图8
6 结论
基于北京和利时信息技术有限公司HiRIS产品的天津渤天化工生产管理系统，实现了调度管理人员对全厂重要工艺装置数据的实时监控，方便了对实产数据和实验室产品入库情况的统计和查询，改变了生产调度传统的调度、管理方式，提高了工作效率，向生产调度管理的全面信息化迈进了坚实的一步。
低了电机运行中的故障率，并且启动平稳，启动电流小，对电网的冲击量小，大大提高了可靠性。
8 结束语
从现场运行情况来看，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-800F高压变频器性能优越，运行可靠，有效地降低了生产成本，在生产材料成本日益增长的今天，通过有效的节能改造，能收到明显的经济效益。
参考文献
[1]山东新风光电子使用手册.山东新风光电子科技发展有限公司.
[2]山东新风光电子JD-BP38-800F高压变频调速系统鲁西化工第八化肥厂调试大纲.
[3]山东新风光电子JD-BP38-800F高压变频调速系统鲁西化工第八化肥厂验收报告.
1 企业介绍
山东鲁西化工股份有限公司位于山东省聊城市，是一家具有百亿年产值的上市企业，员工近万人。公司具有年产合成氨
100万吨、尿素150万吨、复合肥150万吨、磷酸二铵15万吨、硫酸100万吨的生产能力，拥有10万千瓦发电机组配套装置，是集化肥、化工于一体的综合性化学工业企业，是目前全国最大的化肥生产企业之一。其下属企业鲁西化工第八化肥厂，位于聊城市东阿县顾官屯镇鲁西化工工业园内，始建于2006年，于2007年2月建成投产，目前企业现有职工632人，占地总面积12.8万平方米，现资产4.28亿元。
2 厂家工艺流程及现状
脱硫风机采用的罗茨风机属于回转容积式鼓风机，它的鼓风量与风机转速成正比，基本不受出风口阻力变化的影响，这种硬风特性决定了不允许通过关闭出风口或进风口的办法来调节风量，而且经过采取优化以上主要工艺环节措施以后,大量过剩风量调节只能采用旁路，造成风机能量的大量损耗，而且由于磨损而腐蚀问题突出，旁通阀门需要经常维修。该生产线自投运以来，发现该二系统脱硫风机的问题较大：首先是风机出口的管道振动大，噪声大，虽说经过几次的技改已有所改善，但仍存在问题；另外，目前风机送风量能力远超生产能力，为保生产，只能把多余的通过回流管道接到风机进口去。采用甲烷化法脱硫除原料气中CO、CO2 时, 合成氨工艺流程图如图1所示。
图1 合成氨工艺流程
造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机2段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机3、4、5段 ->氨合成 ->产品NH3
原系统设备参数
罗茨风机参数型号ARSH-700HGE3
额定流量：686m /min
风机全压：49KP
轴功率：710kW
配套电机参数
型号：YAKS630-12W
额定功率：710kW
额定电压：10kV
额定电流：56.4A
额定转速：495rpm
3 改造方案
改造前：原系统10kV高压开关柜直接到电机，电机与风机相连。
改造后：在原系统10kV高压开关柜后面加入变频器，变频器输出接电机，电机再与风机相连。
改造方案原理接线图如图2所示。
图2 改造后方案原理接线图
变频器配备了自动旁路柜，通过KM3、KM4的控制，可自动（或手动）在变频状态和工频状态之间切换。变频状态下,KM3闭合，KM4断开，变频器控制电机；工频状态下，KM3断开，KM4闭合，在切换至工频带动电机。变频器可以在重故障时自动切换工频运行，这样既保证了变频器正常运行，又避免了直接启动电机大电流对电网的冲击。
4 现场运行情况
2008年5月16日，山东聊城鲁西化工第八化肥厂和我公司签订高压变频器购货合同，型号为JD-BP38-800F。2008年6月6日，开始安装就位；2008年6月13日，一次调试成功投入运行。整个变频器安装调试周期都很短，为系统的正常生产提供了有利的保证。5 节能效果在今年6月初，我厂就山东新风光电子科技发展有限责任公司生产的JD-BP38-800F变频器应用于4#脱硫罗茨风机进行了改造。由于我厂的每台高压变频器在出厂前均经过实际风机负载的整机出厂检验和调试，在现场的调试又可以在没有高压输入的情况下调试，因此在经过约一周的施工和安装、调试后，上电试验和试运行进行顺利，一次投运成功，高压变频器一直持续稳定运行。
根据生产情况，风机运行30Hz左右就能满足了生产工艺要求；运行转速在额定转速的60%左右。由于电机为水冷却，在低转速下发热量并没有提高，完全满足了工况运行。
变频改造后节能效果显著，与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动机能耗大大降低，节约电量可达50％。特别是机组低负荷运行时，效果更显著。以下为节能效果估算：
节能估算条件：是在同一时间段内进行比较，相同生产条件需求下，工频和变频运行比较节能估算。首先6月份是正常生产时期，6月13日开始投入变频至今。从6月13日至16日未投变频时耗电能有功功率平均在649kW，而7日投入变频运行后8日至14日时耗电能有功功率平均在370kW。以上数据不难看出投入变频后确实起到节能效果。另外，无功功率也从原来的平均554KVar降到平均为135KVar左右，大大改善了系统的无功补偿。
根据以上数据计算，由于生产使用自备发电，以0.386元/kWH的成本价电费，按以下计算公式计算，年节电效益＝(工频时平均功率-变频时平均功率）×天运行小时数×年运行天数×电费单价；结果如下：
（649kW-370kW）×24小时/天×300天/年×0.386元/kWH=77.54（万元/年）。
按照保守的计算方法，每年可节电费77万多元，具有明显的经济效益。
本次罗茨风机配套用风光牌高压变频调速系统改造成功后，由于实现了频率的远方调节和状态监控，产品运行可靠、稳定，大大改善了工艺，该公司决定再次采购一套风光牌高压变频调速系统用于另外一套710kW罗茨风机配套电动机的变频技术改造。
6 其他效益
（1）该罗茨风机由于采用变频控制，可对风量进行精确控制，而且与阀门控制相比更直观、方便调节风机风量来满足生产需要。
（2）由于采用了变频技术，电机实现软启动，不存在启动电流冲击；原来没有使用变频器时电机直接启动，启动电流高达200-300A，对电机或电网都具有不利的影响。现在使用变频器软启动，启动电流不高于额定电流54.6A,减少了风机出口压力瞬间提高对风机的冲击，从而延长了风机和其他设备的使用寿命。
（3）由于风机转速降为原来的60％，大大减少了风机管道振动频率和噪声，延长风机、电机轴承的机械寿命，减少了设备的维护量。
（4）由于旁通阀门几乎不操作，减少了风道的振动与磨损腐蚀，提高了机械寿命。
7 变频改造总结
根据针对该项目的变频改造经验以及同类其他项目的实践结果，总结出风光高压变频器改造具有以下优点：
（1）安装简单。变频器安装在高压开关柜和电机之间，对原有接线改动不大。
（2）操作简单。具有友好的人机界面，设备只有开机、停机和频率调整操作。
（3）调速平滑。能够进行无级调速，调速范围宽，并且调速精度高。
（4）节电明显。根据工况要求，变频器一般运行在27Hz左右，实际输入电流不到额定电流的一半，节电率高达50%以上。
（5）噪音降低。由于电机运行于较低转速上，运行噪音大大降低，电机的发热量也有明显下降。
（6）保护完善。变频调速系统具有完善的保护功能，降(上接第186页)当以上实产数据和质检数据都已存在后，就可以通过各种报表和台账展现出来，供调度人员和各级领导方便地查询，如图7和图8所示。
图7
图8
6 结论
基于北京和利时信息技术有限公司HiRIS产品的天津渤天化工生产管理系统，实现了调度管理人员对全厂重要工艺装置数据的实时监控，方便了对实产数据和实验室产品入库情况的统计和查询，改变了生产调度传统的调度、管理方式，提高了工作效率，向生产调度管理的全面信息化迈进了坚实的一步。
低了电机运行中的故障率，并且启动平稳，启动电流小，对电网的冲击量小，大大提高了可靠性。
8 结束语
从现场运行情况来看，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-800F高压变频器性能优越，运行可靠，有效地降低了生产成本，在生产材料成本日益增长的今天，通过有效的节能改造，能收到明显的经济效益。
参考文献
[1]山东新风光电子使用手册.山东新风光电子科技发展有限公司.
[2]山东新风光电子JD-BP38-800F高压变频调速系统鲁西化工第八化肥厂调试大纲.
[3]山东新风光电子JD-BP38-800F高压变频调速系统鲁西化工第八化肥厂验收报告.
09-03-25 12:19
高压变频器在高炉除尘风机上的应用
摘要：本文分析了高压变频器在济钢高炉除尘风机中应用，通过计算分析以及实际运行的效果，证明了高压变频器在电机系统节能中的重要作用。
关键词：高压变频器 变频调速 节能。
1.引言
随着国民经济的迅速发展，特别是世贸组织的加入和市场竞争的加剧，能源问题已经显得尤为突出，节能减排的大力投资成为各个行业提高市场竞争力新的亮点。而各个行业中，电机的应用极为广泛，它是工况企业中的主要动力，在冶金、石化、电力、矿业等各个行业中，用于风机、轧机、泵类等大型机械设备的拖动，尤其高压电机的电能消耗非常巨大，占企业所有电机电能消耗的65－75%之多。对于电机节能，高压电机的节能尤为突出。目前电机系统节能工程被定位国家发改委启动的十大重点节能工程之一。对电机系统的节能来说，不管从调速、起动和制动性能上来说，采用可控硅变频技术是最为理想的节能途径，尤其在某些特定工艺下，中、高电压、大功率的电机采用高压变频器节能效果尤为明显。
2.高压变频器的分类及节能优势
变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前，我国高压变频器呈现三大趋势：
（1）功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。
（2）向大功率方向发展。
（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。
高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。
高压变频器的分类一般可分为两大类：
（1）交—交变频器（无直流环节）
（2）交—直—交变频器（有直流环节）。
其中交—直—交变频器又可根据直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器，直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。图1为三种高压变频器框图。
（a）交－交变频器 （b）电流源型变频器 （c） 电压源型变频器
图1：三种高压变频器框图
无论何类变频器，判断其优劣，首先要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；其次要看对电网的谐波污染和输入功率因数；再次要看其本身的能量损耗（即效率）如何。
无论何类型的高压变频器在特定的工艺要求下，其节能的优势都是很明显的。在以往的大功率电机的节能调速，一般采用下列几种方式：星／角接启动器、自耦降压启动、配套电容补赏器，提高功率因数 终端电压、配套电磁调速器（适合于无级调速），减少启动时机械冲击等。以上几种节能调速，节能效果均不明显，并且调速范围窄，转速不稳定、电机的效率低，损耗大、经常出现故障，不能满足连续生产的需要、调节精度低，响应慢等。高压变频器以节能为目的典型应用是风机调速、泵类调速，为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
由流体力学可知，P(功率)＝Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵（或风机）的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40%一50%，从而达到节电的目的，同时又可提高系统可靠性及稳定性。
3.案例剖析
现在已2006年河南济钢6#高炉出铁场除尘风机采用的北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器为例，从工艺、变频器结构、节能原理以及节能效果进行详细的分析介绍。
3.1 工艺
高炉在生产过程中，出铁场产生大量的烟囱，污染环境，根据国家法规，需要除尘处理。除尘风机是一个间隙性的工作制度，即高炉出铁时使用，不出铁时不用，使用率大约在60％左右。图2为高炉炼铁出铁场工艺周期。
图2：高炉炼铁出铁场工艺周期
图2中：
A到B、E到F为高炉冶炼时间，B到C、F到G为升速时间，可以调节；C到D、G到H为高炉出铁时间，D到E、H到I为减速时间，可以调节。
每次高炉出铁时间约50分钟，为高速段，定为45Hz,可以调节；高炉冶炼时间约30分钟，为低速段，定为5Hz，可以调节。
3.2 方案选择
根据以上工艺要求，又因为除尘风机所配电机为高压电机，不允许频繁启停。如果风机长期采用工频运行，通过调节风门的出口挡板调节风量来满足生产工艺要求，大量电能白白浪费在阀门上。如果采用液力耦合器调速，则由以往经验可知，液力耦合器存在以下主要缺点：
（1）调速范围有限，为50～95%，转速不稳定，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节能效益的发挥；
（2）调速越低时效率越低，低速时发热厉害；
（3）调速精度低，线性度差，响应慢，不大适应自动控制要求；
（4）电机虽然可以不带载启动，但仍然有5倍左右的冲击电流，影响电网稳定；
（5）必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造；液力耦合器故障时，没有工频旁路系统，负载机械将无法运转，必须停机检修；
（6）漏油严重，对环境污染大；可靠性差，维修难度大，严重浪费人力及影响生产。
经过以上的分析，既要满足工艺要求，又要达到调速节能的目的，采用高压变频器对电机进行拖动控制最为理想。方案定为一拖一方案，如图3所示。变频器选用专业制造高压变频的北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。
图3：高压变频器一拖一方案
3.3 HARSVERT-A系列高压变频器基本结构原理
HARSVERT-A系列高压变频器为交—直—交电压源型变频器，采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压谐波畸变小于2%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，输出电流谐波畸变小于2%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，变频器每个系统共有21个功率单元，每7个功率单元串连构成一相，其系统结构如图4所示。其中(1)为高压开关；(2)为干式移相隔离变压器；(3)为电动机；(4)为功率单元；(5)为主控箱；(6)为人机接口；(7)为可编程控制器；(8)为电流霍尔；(9)为电压检测。
图4：HARSVERT-A系列高压变频器系统结构
3.4 变频调速节能原理
（1）变频调速的方法
交流异步电动机的输出转速由下式确定：
n=60f(1—S)/p……?
式中：n-电动机的输出转速；f-输入的电源频率；S-电动机的转差率；p-电机的极对数。
由公式?可知，变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。
变频调速系统是从电网直接接收工频50Hz的交流电，经过交-直-交变频方式，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
（2）变频调速的节能原理
除尘风机作为一种基本的风机类负载的工作特性如图5所示。
图5：除尘风机的工作特性
曲线①为负载按转速N1工作时的特性曲线，曲线②为负载按转速N2工作时的特性曲线，③④为管网的阻力曲线。在第一种负载工况下，负载工作在A点，流量为Q1，压力为H1。如果负载仍然按N1速度定速运行，用挡板将流量调节为Q2时，压力将上升到H3，负载工作点移到B点。由于挡板的截流作用，管网阻力曲线由③变为④。
在A、B两点，负载功率分别为PA＝H1×Q1，PB＝H3×Q2，虽然Q2＜Q1，但H3＞H1，实际减小的功率有限。
如果不采用挡板调节，这时管网阻力特性保持曲线③不变，改用调节负载速度来减小流量，负载改按速度N2运行，工作特性为曲线②，负载工作在C点，流量仍然为Q2，但压力为H2。
相比B、C两点，负载减少的轴功率为：ΔP＝PB- PC＝（H3–H2）×Q2
在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量Q、压力H、轴功率P和转速N之间满足如下关系（相似定理）：Q∝N，H∝N2,P∝N3
所以有：
就是说，通过调速方式改变风机风量，风量下降一半时，在不考虑到效率的情况下，风机轴功率将下降87.5%。这也是为什么变频调速在风机应用上节能十分显著的原因。
另外，工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗:Ws=0.5J???(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，风机类负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以Tm/Tm-TL=1计。而变频软起动损耗很小，只有上述Ws十分之一，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近l，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
3.5运行效果分析
6＃高炉出铁场除尘风机电机参数：额定功率710kW，额定电压6000V，额定电流89 A，功率因数0.816，额定转速740r/min。
目前带变频器时运行实际输入值为：电机高速时（45Hz）电流为50—55A左右，电机低速时（5Hz）电流为1.36A。根据公式：变频器出入电压U1×变频器输入电流I1×变频器本身功率因数＝变频器输出电压U2×工频电流I2×电机功率因数，以上实际运行工频电流为：电机高速时59－65A，电机低速时为18A。
电机高速时，输入电流55A，输入电压6450V，转速740r/min，电机低速时，输入电流1.3A，输入电压540V，转速76r/min。
实际不用变频器时工频电流为65A，这可能与变频器读数显示不准有关，现仅以变频器显示数据为依据进行节能核算。炼铁出铁时间与不出铁时间按60%对40%考虑。每年按8000小时考虑。
电机工频状态下，每年耗电量为
×Ue×I×cosΦ=1.732×6.450×65×0.816＝592.5kW?h
每度电按0.5元算，592.5×8000×0.5＝2370124元。
电机带变频时：转速与频率成正比，功率与转速关系为P/Pe＝（n/ne）3
所以电机高速时：P＝Pe×（n/ne）3/0.96=739.5kW?h
电费为：739.5×（8000×60%）×0.5＝1774800元，
电机低速时：P＝Pe×（n/ne）3/0.96＝0.74 kW?h，
电费为：0.74×（8000×40%）×0.5＝1184元。
一年省去电费为：2370124－1774800－1184＝594140元，节省比例为：594140/2370124=0.25，耗电节省为25％，1年半能收回成本。
3.6 应用高压变频调速系统产生的其他效果
（1）维护量减少
采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作，通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低电机的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。
（2）工作强度降低
由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。
（3）减少了对电网的冲击
采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
4 结束语
高压变频调速系统是直接串联于高压电源与高压电机之间的变频调速设备，以其安全、良好的运行性能正快速的替代其它调速产品，全面的进入到各个行业的节能项目中。利用高压变频调速技术的目的是改变设备的运行速度，以实现调节现场工况，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，同时使维护量大大降低，为企业带来可观的效益。在电机系统的节能中，高压变频器以其节能的力度，起着重要的作用。
摘要：本文分析了高压变频器在济钢高炉除尘风机中应用，通过计算分析以及实际运行的效果，证明了高压变频器在电机系统节能中的重要作用。
关键词：高压变频器 变频调速 节能。
1.引言
随着国民经济的迅速发展，特别是世贸组织的加入和市场竞争的加剧，能源问题已经显得尤为突出，节能减排的大力投资成为各个行业提高市场竞争力新的亮点。而各个行业中，电机的应用极为广泛，它是工况企业中的主要动力，在冶金、石化、电力、矿业等各个行业中，用于风机、轧机、泵类等大型机械设备的拖动，尤其高压电机的电能消耗非常巨大，占企业所有电机电能消耗的65－75%之多。对于电机节能，高压电机的节能尤为突出。目前电机系统节能工程被定位国家发改委启动的十大重点节能工程之一。对电机系统的节能来说，不管从调速、起动和制动性能上来说，采用可控硅变频技术是最为理想的节能途径，尤其在某些特定工艺下，中、高电压、大功率的电机采用高压变频器节能效果尤为明显。
2.高压变频器的分类及节能优势
变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前，我国高压变频器呈现三大趋势：
（1）功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。
（2）向大功率方向发展。
（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。
高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。
高压变频器的分类一般可分为两大类：
（1）交—交变频器（无直流环节）
（2）交—直—交变频器（有直流环节）。
其中交—直—交变频器又可根据直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器，直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。图1为三种高压变频器框图。
（a）交－交变频器 （b）电流源型变频器 （c） 电压源型变频器
图1：三种高压变频器框图
无论何类变频器，判断其优劣，首先要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；其次要看对电网的谐波污染和输入功率因数；再次要看其本身的能量损耗（即效率）如何。
无论何类型的高压变频器在特定的工艺要求下，其节能的优势都是很明显的。在以往的大功率电机的节能调速，一般采用下列几种方式：星／角接启动器、自耦降压启动、配套电容补赏器，提高功率因数 终端电压、配套电磁调速器（适合于无级调速），减少启动时机械冲击等。以上几种节能调速，节能效果均不明显，并且调速范围窄，转速不稳定、电机的效率低，损耗大、经常出现故障，不能满足连续生产的需要、调节精度低，响应慢等。高压变频器以节能为目的典型应用是风机调速、泵类调速，为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
由流体力学可知，P(功率)＝Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵（或风机）的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40%一50%，从而达到节电的目的，同时又可提高系统可靠性及稳定性。
3.案例剖析
现在已2006年河南济钢6#高炉出铁场除尘风机采用的北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器为例，从工艺、变频器结构、节能原理以及节能效果进行详细的分析介绍。
3.1 工艺
高炉在生产过程中，出铁场产生大量的烟囱，污染环境，根据国家法规，需要除尘处理。除尘风机是一个间隙性的工作制度，即高炉出铁时使用，不出铁时不用，使用率大约在60％左右。图2为高炉炼铁出铁场工艺周期。
图2：高炉炼铁出铁场工艺周期
图2中：
A到B、E到F为高炉冶炼时间，B到C、F到G为升速时间，可以调节；C到D、G到H为高炉出铁时间，D到E、H到I为减速时间，可以调节。
每次高炉出铁时间约50分钟，为高速段，定为45Hz,可以调节；高炉冶炼时间约30分钟，为低速段，定为5Hz，可以调节。
3.2 方案选择
根据以上工艺要求，又因为除尘风机所配电机为高压电机，不允许频繁启停。如果风机长期采用工频运行，通过调节风门的出口挡板调节风量来满足生产工艺要求，大量电能白白浪费在阀门上。如果采用液力耦合器调速，则由以往经验可知，液力耦合器存在以下主要缺点：
（1）调速范围有限，为50～95%，转速不稳定，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节能效益的发挥；
（2）调速越低时效率越低，低速时发热厉害；
（3）调速精度低，线性度差，响应慢，不大适应自动控制要求；
（4）电机虽然可以不带载启动，但仍然有5倍左右的冲击电流，影响电网稳定；
（5）必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造；液力耦合器故障时，没有工频旁路系统，负载机械将无法运转，必须停机检修；
（6）漏油严重，对环境污染大；可靠性差，维修难度大，严重浪费人力及影响生产。
经过以上的分析，既要满足工艺要求，又要达到调速节能的目的，采用高压变频器对电机进行拖动控制最为理想。方案定为一拖一方案，如图3所示。变频器选用专业制造高压变频的北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。
图3：高压变频器一拖一方案
3.3 HARSVERT-A系列高压变频器基本结构原理
HARSVERT-A系列高压变频器为交—直—交电压源型变频器，采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压谐波畸变小于2%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，输出电流谐波畸变小于2%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，变频器每个系统共有21个功率单元，每7个功率单元串连构成一相，其系统结构如图4所示。其中(1)为高压开关；(2)为干式移相隔离变压器；(3)为电动机；(4)为功率单元；(5)为主控箱；(6)为人机接口；(7)为可编程控制器；(8)为电流霍尔；(9)为电压检测。
图4：HARSVERT-A系列高压变频器系统结构
3.4 变频调速节能原理
（1）变频调速的方法
交流异步电动机的输出转速由下式确定：
n=60f(1—S)/p……?
式中：n-电动机的输出转速；f-输入的电源频率；S-电动机的转差率；p-电机的极对数。
由公式?可知，变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。
变频调速系统是从电网直接接收工频50Hz的交流电，经过交-直-交变频方式，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
（2）变频调速的节能原理
除尘风机作为一种基本的风机类负载的工作特性如图5所示。
图5：除尘风机的工作特性
曲线①为负载按转速N1工作时的特性曲线，曲线②为负载按转速N2工作时的特性曲线，③④为管网的阻力曲线。在第一种负载工况下，负载工作在A点，流量为Q1，压力为H1。如果负载仍然按N1速度定速运行，用挡板将流量调节为Q2时，压力将上升到H3，负载工作点移到B点。由于挡板的截流作用，管网阻力曲线由③变为④。
在A、B两点，负载功率分别为PA＝H1×Q1，PB＝H3×Q2，虽然Q2＜Q1，但H3＞H1，实际减小的功率有限。
如果不采用挡板调节，这时管网阻力特性保持曲线③不变，改用调节负载速度来减小流量，负载改按速度N2运行，工作特性为曲线②，负载工作在C点，流量仍然为Q2，但压力为H2。
相比B、C两点，负载减少的轴功率为：ΔP＝PB- PC＝（H3–H2）×Q2
在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量Q、压力H、轴功率P和转速N之间满足如下关系（相似定理）：Q∝N，H∝N2,P∝N3
所以有：
就是说，通过调速方式改变风机风量，风量下降一半时，在不考虑到效率的情况下，风机轴功率将下降87.5%。这也是为什么变频调速在风机应用上节能十分显著的原因。
另外，工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，估算其启动一次的损耗:Ws=0.5J???(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，风机类负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以Tm/Tm-TL=1计。而变频软起动损耗很小，只有上述Ws十分之一，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近l，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
3.5运行效果分析
6＃高炉出铁场除尘风机电机参数：额定功率710kW，额定电压6000V，额定电流89 A，功率因数0.816，额定转速740r/min。
目前带变频器时运行实际输入值为：电机高速时（45Hz）电流为50—55A左右，电机低速时（5Hz）电流为1.36A。根据公式：变频器出入电压U1×变频器输入电流I1×变频器本身功率因数＝变频器输出电压U2×工频电流I2×电机功率因数，以上实际运行工频电流为：电机高速时59－65A，电机低速时为18A。
电机高速时，输入电流55A，输入电压6450V，转速740r/min，电机低速时，输入电流1.3A，输入电压540V，转速76r/min。
实际不用变频器时工频电流为65A，这可能与变频器读数显示不准有关，现仅以变频器显示数据为依据进行节能核算。炼铁出铁时间与不出铁时间按60%对40%考虑。每年按8000小时考虑。
电机工频状态下，每年耗电量为
×Ue×I×cosΦ=1.732×6.450×65×0.816＝592.5kW?h
每度电按0.5元算，592.5×8000×0.5＝2370124元。
电机带变频时：转速与频率成正比，功率与转速关系为P/Pe＝（n/ne）3
所以电机高速时：P＝Pe×（n/ne）3/0.96=739.5kW?h
电费为：739.5×（8000×60%）×0.5＝1774800元，
电机低速时：P＝Pe×（n/ne）3/0.96＝0.74 kW?h，
电费为：0.74×（8000×40%）×0.5＝1184元。
一年省去电费为：2370124－1774800－1184＝594140元，节省比例为：594140/2370124=0.25，耗电节省为25％，1年半能收回成本。
3.6 应用高压变频调速系统产生的其他效果
（1）维护量减少
采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作，通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低电机的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。
（2）工作强度降低
由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。
（3）减少了对电网的冲击
采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
4 结束语
高压变频调速系统是直接串联于高压电源与高压电机之间的变频调速设备，以其安全、良好的运行性能正快速的替代其它调速产品，全面的进入到各个行业的节能项目中。利用高压变频调速技术的目的是改变设备的运行速度，以实现调节现场工况，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，同时使维护量大大降低，为企业带来可观的效益。在电机系统的节能中，高压变频器以其节能的力度，起着重要的作用。
09-03-25 12:22
高压变频器在脱硫罗茨风机上的应用
摘要：本文介绍了风光牌高压变频器在化工行业罗茨风机上的应用情况，对节能效果进行了分析。
关键词：高压变频器 罗茨风机 应用
1 企业介绍
山东鲁西化工股份有限公司位于山东省聊城市，是一家具有百亿年产值的上市企业，员工近万人。公司具有年产合成氨100万吨、尿素150万吨、复合肥150万吨、磷酸二铵15万吨、硫酸100万吨的生产能力，拥有10万千瓦发电机组配套装置，是集化肥、化工于一体的综合性化学工业企业，是目前全国最大的化肥生产企业之一。其下属企业鲁西化工第二化肥厂，位于聊城市东阿县，于1970年开始筹建，1972年建成投产，当时年产合成氨生产能力3000吨,发展到现在，企业总资产7.62亿元，占地面积34万平方米，职工1570余人，成为上市公司。
2008年，该公司进一步加大技改投资力度，投资2.5亿元对现有生产装置进行优化。对全系统进行节能平衡改造，甩掉污染严重、能耗偏高的工艺。从节能降耗、环保角度出发，投资部分技改项目，优化生产装置，降低成本。
2 厂家工艺流程及现状
脱硫风机采用的罗茨风机属于回转容积式鼓风机，它的鼓风量与风机转速成正比，基本不受出风口阻力变化的影响，这种硬风特性决定了不允许通过关闭出风口或进风口的办法来调节风量，而且经过采取优化以上主要工艺环节措施以后,大量过剩风量调节只能采用旁路，造成风机能量的大量损耗，而且由于磨损而腐蚀问题突出，旁通阀门需要经常维修。工艺流程设备图如下所示：
图1 工艺流程设备图
该生产线自投运以来，发现该二系统脱硫风机的问题较大：首先是风机出口的管道振动大、噪声大，虽说经过几次的技改已有所改善；另外，就目前风机送风量能力远超生产能力，为保生产只能把多余的通过回流管道接到风机进口去。
采用甲烷化法脱硫除原料气中CO、CO2 时, 合成氨工艺流程图如下：
造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机2段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机3，4,5段 ->氨合成 ->产品NH3
原系统设备参数如下表1所示：
表1
3 改造方案
改造前：原系统6KV高压开关柜直接到电机，电机与风机相连。
改造后：在原系统6KV高压开关柜后面加入变频器，变频器输出接电机，电机再与风机相连。
改造方案原理接线图如下图2所示。
图2 改造方案原理接线图
变频器配备了自动旁路柜，通过KM3、KM4的控制，可自动（或手动）在变频状态和工频状态之间切换。变频状态下, KM3闭合，KM4断开，变频器控制电机；工频状态下，KM3断开，KM4闭合，在切换至工频带动电机。变频器可以在重故障时自动切换工频运行，这样既保证了变频器正常运行，又避免了直接启动电机大电流对电网的冲击。现场设备如图3所示：
图3 现场设备图
4 现场运行情况
2008年8月16日，山东聊城鲁西化工第二化肥厂和我公司签订高压变频器购货合同，型号为JD-BP37-450F。2008年9月30日，开始安装就位；2008年10月2日，一次调试成功投入运行。整个变频器安装调试周期都很短，为系统的正常生产提供了有利的保证。
5 节能效果
山东新风光电子科技发展有限责任公司生产的JD-BP37-450F变频器应用于4#脱硫罗茨风机进行了改造。由于我厂的每台高压变频器在出厂前均经过实际风机负载的整机出厂检验和调试，在现场的调试又可以在没有高压输入的情况下调试，因此在经过约一周的施工、安装和调试后，上电试验和试运行进行顺利，一次投运成功，高压变频器一直持续稳定运行。
根据生产情况，风机运行30HZ左右就能满足了生产工艺要求；运行转速在额定转速的60%左右。由于电机为水冷却，在低转速下发热量并没有提高，完全满足了工况运行。
变频改造后节能效果显著，与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动机能耗大大降低，节约电量可达37％。特别是机组低负荷运行时，效果更显著。以下为节能效果估算：
节能估算条件：是在同一时间段内进行比较，相同生产条件需求下，同一段母线上的两台罗茨风机，5#罗茨风机工频运行，4#罗茨风机变频运行，两台电动机进行比较节能估算。首先10月份是正常生产时期，10月2日开始投入变频至今，从此月2日至9日5#电动机耗电能有功功率平均在362KW，而2日投入变频运行后，2日至9日时4#电动机耗电能有功功率平均在230KW。以上数据不难看出投入变频后确实起到节能。另外，无功功率也从原来的平均276KVar降到平均为83KVar左右，大大改善了系统的无功补偿。
根据以上数据计算，由于生产使用自备发电，以0.386元/kWH的成本价电费，按以下计算公式计算，年节电效益:年节电效益＝（工频时平均功率-变频时平均功率）×天运行小时数×年运行天数×电费单价，结果如下：
（362kW-230kW）×24小时/天×300天/年×0.386元/kWH=36.69（万元/年）。
按照保守的计算方法，每年可节电费近37万元，具有明显的经济效益。
本次罗茨风机配套用风光牌高压变频调速系统改造成功后，由于实现了频率的远方调节和状态监控，产品运行可靠、稳定，大大地改善了系统工艺，该公司决定再次采购三套风光牌高压变频调速系统用于另外三台710kW/6KV罗茨风机配套电动机的变频技术改造。
6 其他效益
6.1 该罗茨风机由于采用变频控制，可对风量进行精确控制，而且与阀门控制相比更直观、方便调节风机风量来满足生产需要；
6.2 由于采用了变频技术，电机实现软启动，不存在启动电流冲击；原来没有使用变频器时电机直接启动，启动电流高达200-300A，对电机或电网都具有不利的影响。现在使用变频器软启动，启动电流不高于额定电流46A,减少了风机出口压力瞬间提高对风机的冲击，从而延长了风机和其他设备的使用寿命；
6.3 由于风机转速降为原来的60％，大大减少了风机管道振动频率和噪声，延长风机、电机轴承的机械寿命，减少了设备的维护量。
6.4 由于旁通阀门几乎不操作，减少了风道的振动与磨损腐蚀，提高了机械寿命。
7 变频改造总结
根据针对该项目的变频改造经验以及同类其他项目的实践结果，总结出风光高压变频器改造具有以下优点：
（1）安装简单。变频器安装在高压开关柜和电机之间，对原有接线改动不大。
（2）操作简单。直观的中文人机界面，设备具有开机、停机和频率调整等操作。
（3）调速平滑。能够进行无级调速，调速范围宽，并且调速精度高。
（5）节电明显。根据工况要求，变频器一般运行在27Hz左右，实际输入电流不到额定电流的一半，节电率高达37%以上。
（6）噪音降低。由于电机运行于较低转速上，运行噪音大大降低，电机的发热量也有明显下降。
（7）保护完善。变频调速系统具有完善的保护功能，降低了电机运行中的故障率，并且启动平稳，启动电流小，对电网的冲击量小，大大提高了可靠性。输出谐波小。变频器输出符合IEEE STD 519 1992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB/T14549-93对谐波失真的要求，不需要采用输出电抗器。
（8）具有星点漂移功能。三相输出采用单元串联结构，在运行中，如果有任意三个单元以内出现故障，变频器本身会自动旁路，同时变频器主控系统具有星点漂移功能，使三相输出线电压保持平衡，不会对电动机造成不利影响。
8 结束语
从现场运行情况来看，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-450F高压变频器性能优越，运行可靠，有效地降低了生产成本，在生产材料成本日益增长的今天，通过有效的节能改造，具有明显的经济效益。
摘要：本文介绍了风光牌高压变频器在化工行业罗茨风机上的应用情况，对节能效果进行了分析。
关键词：高压变频器 罗茨风机 应用
1 企业介绍
山东鲁西化工股份有限公司位于山东省聊城市，是一家具有百亿年产值的上市企业，员工近万人。公司具有年产合成氨100万吨、尿素150万吨、复合肥150万吨、磷酸二铵15万吨、硫酸100万吨的生产能力，拥有10万千瓦发电机组配套装置，是集化肥、化工于一体的综合性化学工业企业，是目前全国最大的化肥生产企业之一。其下属企业鲁西化工第二化肥厂，位于聊城市东阿县，于1970年开始筹建，1972年建成投产，当时年产合成氨生产能力3000吨,发展到现在，企业总资产7.62亿元，占地面积34万平方米，职工1570余人，成为上市公司。
2008年，该公司进一步加大技改投资力度，投资2.5亿元对现有生产装置进行优化。对全系统进行节能平衡改造，甩掉污染严重、能耗偏高的工艺。从节能降耗、环保角度出发，投资部分技改项目，优化生产装置，降低成本。
2 厂家工艺流程及现状
脱硫风机采用的罗茨风机属于回转容积式鼓风机，它的鼓风量与风机转速成正比，基本不受出风口阻力变化的影响，这种硬风特性决定了不允许通过关闭出风口或进风口的办法来调节风量，而且经过采取优化以上主要工艺环节措施以后,大量过剩风量调节只能采用旁路，造成风机能量的大量损耗，而且由于磨损而腐蚀问题突出，旁通阀门需要经常维修。工艺流程设备图如下所示：
图1 工艺流程设备图
该生产线自投运以来，发现该二系统脱硫风机的问题较大：首先是风机出口的管道振动大、噪声大，虽说经过几次的技改已有所改善；另外，就目前风机送风量能力远超生产能力，为保生产只能把多余的通过回流管道接到风机进口去。
采用甲烷化法脱硫除原料气中CO、CO2 时, 合成氨工艺流程图如下：
造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机2段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机3，4,5段 ->氨合成 ->产品NH3
原系统设备参数如下表1所示：
表1
3 改造方案
改造前：原系统6KV高压开关柜直接到电机，电机与风机相连。
改造后：在原系统6KV高压开关柜后面加入变频器，变频器输出接电机，电机再与风机相连。
改造方案原理接线图如下图2所示。
图2 改造方案原理接线图
变频器配备了自动旁路柜，通过KM3、KM4的控制，可自动（或手动）在变频状态和工频状态之间切换。变频状态下, KM3闭合，KM4断开，变频器控制电机；工频状态下，KM3断开，KM4闭合，在切换至工频带动电机。变频器可以在重故障时自动切换工频运行，这样既保证了变频器正常运行，又避免了直接启动电机大电流对电网的冲击。现场设备如图3所示：
图3 现场设备图
4 现场运行情况
2008年8月16日，山东聊城鲁西化工第二化肥厂和我公司签订高压变频器购货合同，型号为JD-BP37-450F。2008年9月30日，开始安装就位；2008年10月2日，一次调试成功投入运行。整个变频器安装调试周期都很短，为系统的正常生产提供了有利的保证。
5 节能效果
山东新风光电子科技发展有限责任公司生产的JD-BP37-450F变频器应用于4#脱硫罗茨风机进行了改造。由于我厂的每台高压变频器在出厂前均经过实际风机负载的整机出厂检验和调试，在现场的调试又可以在没有高压输入的情况下调试，因此在经过约一周的施工、安装和调试后，上电试验和试运行进行顺利，一次投运成功，高压变频器一直持续稳定运行。
根据生产情况，风机运行30HZ左右就能满足了生产工艺要求；运行转速在额定转速的60%左右。由于电机为水冷却，在低转速下发热量并没有提高，完全满足了工况运行。
变频改造后节能效果显著，与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动机能耗大大降低，节约电量可达37％。特别是机组低负荷运行时，效果更显著。以下为节能效果估算：
节能估算条件：是在同一时间段内进行比较，相同生产条件需求下，同一段母线上的两台罗茨风机，5#罗茨风机工频运行，4#罗茨风机变频运行，两台电动机进行比较节能估算。首先10月份是正常生产时期，10月2日开始投入变频至今，从此月2日至9日5#电动机耗电能有功功率平均在362KW，而2日投入变频运行后，2日至9日时4#电动机耗电能有功功率平均在230KW。以上数据不难看出投入变频后确实起到节能。另外，无功功率也从原来的平均276KVar降到平均为83KVar左右，大大改善了系统的无功补偿。
根据以上数据计算，由于生产使用自备发电，以0.386元/kWH的成本价电费，按以下计算公式计算，年节电效益:年节电效益＝（工频时平均功率-变频时平均功率）×天运行小时数×年运行天数×电费单价，结果如下：
（362kW-230kW）×24小时/天×300天/年×0.386元/kWH=36.69（万元/年）。
按照保守的计算方法，每年可节电费近37万元，具有明显的经济效益。
本次罗茨风机配套用风光牌高压变频调速系统改造成功后，由于实现了频率的远方调节和状态监控，产品运行可靠、稳定，大大地改善了系统工艺，该公司决定再次采购三套风光牌高压变频调速系统用于另外三台710kW/6KV罗茨风机配套电动机的变频技术改造。
6 其他效益
6.1 该罗茨风机由于采用变频控制，可对风量进行精确控制，而且与阀门控制相比更直观、方便调节风机风量来满足生产需要；
6.2 由于采用了变频技术，电机实现软启动，不存在启动电流冲击；原来没有使用变频器时电机直接启动，启动电流高达200-300A，对电机或电网都具有不利的影响。现在使用变频器软启动，启动电流不高于额定电流46A,减少了风机出口压力瞬间提高对风机的冲击，从而延长了风机和其他设备的使用寿命；
6.3 由于风机转速降为原来的60％，大大减少了风机管道振动频率和噪声，延长风机、电机轴承的机械寿命，减少了设备的维护量。
6.4 由于旁通阀门几乎不操作，减少了风道的振动与磨损腐蚀，提高了机械寿命。
7 变频改造总结
根据针对该项目的变频改造经验以及同类其他项目的实践结果，总结出风光高压变频器改造具有以下优点：
（1）安装简单。变频器安装在高压开关柜和电机之间，对原有接线改动不大。
（2）操作简单。直观的中文人机界面，设备具有开机、停机和频率调整等操作。
（3）调速平滑。能够进行无级调速，调速范围宽，并且调速精度高。
（5）节电明显。根据工况要求，变频器一般运行在27Hz左右，实际输入电流不到额定电流的一半，节电率高达37%以上。
（6）噪音降低。由于电机运行于较低转速上，运行噪音大大降低，电机的发热量也有明显下降。
（7）保护完善。变频调速系统具有完善的保护功能，降低了电机运行中的故障率，并且启动平稳，启动电流小，对电网的冲击量小，大大提高了可靠性。输出谐波小。变频器输出符合IEEE STD 519 1992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB/T14549-93对谐波失真的要求，不需要采用输出电抗器。
（8）具有星点漂移功能。三相输出采用单元串联结构，在运行中，如果有任意三个单元以内出现故障，变频器本身会自动旁路，同时变频器主控系统具有星点漂移功能，使三相输出线电压保持平衡，不会对电动机造成不利影响。
8 结束语
从现场运行情况来看，山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-450F高压变频器性能优越，运行可靠，有效地降低了生产成本，在生产材料成本日益增长的今天，通过有效的节能改造，具有明显的经济效益。
09-03-27 07:59