艾默生變頻器在液位自動控制中的應用及其節能效果

摘要 ：
變頻調速器是一種高效節能調速裝置,它以DSP或微處理器為核心,為電動機運行多種電氣控制和報警功能,保障設備安全,延長使用壽命。特別是它可以根據設定信號調節電動機轉速,實現生產自動控制,節電效果顯著,可有力地促進企業節能工作的開展,因而在電機供電控制中得到廣泛應用。下面以我廠催化裝置中的輕柴油泵為例簡單說明控制調速策略。

一、概述
在工礦企業中大量地使用著風機、水泵、攪拌機、壓縮機等,這些機械一般都以交流電動機驅動。其中大部分電動機均不是工作在額定功率,而經常只有額定功率的50%～70%,甚至更低一些(20%～70%)。但電動機大部分處在恒速運行狀態,并以檔板、閥門或放空回流的辦法進行流量或壓力的調節,從而白白損失大量的電能,功率越大的風機、水泵,損失的電能越多。
對于水泵和風機,表達其特性的參數有:流量(風量)Q,揚程(風壓)H,功率P等。當轉速從n1變為n2時,Q,H,P大致變化關系為:
Q2=Q1(n2 / n1)
H2=H1(n2 / n1)2
P2=P1(n2 / n1)3
即:流量與轉速成正比,揚程與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成正比。
如水泵的流量或風機的風量等調節,只需調節電機的轉速就可以實現,而同時將大大降低電機的消耗功率,節約了電能。
根據電工學的基本原理,電動機的轉速n由以下公式表示:

式中:n---電動機的轉速
f1---供電電源頻率
S---轉差率
P---電動機的極對數
因此要改變電動機的轉速,只要改變供電電源的頻率或者改變電動機的極對數或者轉差率就可以改變電動機的轉速。
改變極對數進行調速從理論上講效率最高,因為它沒有額外的損耗,但對電動機的制造要求高,機械結構較為復雜,且屬于有級調速,不靈活,因此較少使用。改變轉差率,以往曾用過滑差電機,但由于電機結構復雜、故障率較高,維修困難,現也很少采用。改變頻率進行調速,可以達到無級調速,在二十世紀八十年代初期在我國采用還不多,原因是變頻裝置本身的限制,后來隨著微電子技術及IGBT功率器件的迅速發展,變頻調速技術也得到了前所未有的發展,按目前技術的水平,不但調速精度達到了很高,而且損耗可以減少到最小(變頻器效率可高達99%)。現在變頻調速可以應用到各種規格的電動機中。

二、變頻調速器的應用
變頻調速器是一種高效節能調速裝置,它以DSP或微處理器為核心,為電動機運行多種電氣控制和報警功能,保障設備安全,延長使用壽命。特別是它可以根據設定信號調節電動機轉速,實現生產自動控制,節電效果顯著,可有力地促進企業節能工作的開展,因而在電機供電控制中得到廣泛應用。下面以我廠催化裝置中的輕柴油泵為例簡單說明控制調速策略。
1、控制流程簡介
輕柴油泵采用一開一備的配置方式,共有P1205A/B兩臺泵。在正常情況下,一臺運行另一臺備用,主、備泵的切換通過人工方式手動實現。在供電控制方式上,P1205A實行常規電氣控制,主電源直接供給電動機,P1205B實行變頻調速控制,主電源經過變頻后送給電機。系統調節參數為中間產品罐液位,測量位號為LT1206,PID調節回路調節閥LV1206。用控制電機轉速和調節閥開度使液位LT1206穩定在給定值上,DCS上將原有的LC1206調節器組態位號改為LC1206A,新增一個PID調節器位號LC1206B(其組態內容與LC1206A一致),用LC1206B和變頻器INVERTER控制電機轉速或用LC1206A控制調節閥的開度使流量穩定在給定的值上。
2.　控制方案的實施
該流量在DCS中的控制原理如圖一所示。

控制過程如下:在正常情況下LC1206B調節回路輸出4-20mA調節信號到變頻器作為頻率設定信號,變頻器按照給定信號輸出相應頻率的電壓電源,從而調節電機轉速。同時LC1206A調節回路保持在手動方式,輸出鎖定在100%,控制泵出口調節閥處于全開位置,以便實現變頻器控制流量的目的。在DCS上,在相應的流程圖上對應P1205B位置組態了變頻器調速圖案,在變頻器運行時,其狀態顯示為綠色,當變頻器處于非運行狀態(包括變頻器故障和人為停機)時,其顏色為紅色。
當變頻器出現故障或人為將其切除時,流程圖上變頻器圖案出現紅色,工藝操作人員進行人工切換泵,LC1205B切到手動方式,LC1206A進入自動狀態輸出4-20mA信號,控制調節閥LV1206的開度,P1205A電動機以額定轉速運行。

3.　控制系統的組成
該控制系統包括工頻控制系統和變頻控制系統。工頻控制系統由DCS中組態的控制器LC1206A,調節閥LV1206,電動機,柴油泵P1205A和液位測量LT1206組成,變頻控制系統由DCS中組態的控制器LC1206B,變頻器,電動機,柴油泵P1205B和液位測量LT1206組成。兩個系統由手動進行切換,其控制系統方塊圖見圖二。

4.　變頻器的選型和主要參數設定
我們選用的變頻器是深圳艾默生電氣有限公司的TD2000系列變頻器,型號是TD2000-4T1100P,適配電機110KW。
電源輸入:三相380V,50HZ/60HZ
輸入變動容許值:電壓±20%;電壓失衡率<3%;頻率±5%。較進口變頻器更能適合我國的電網情況。
輸出電壓:380V正弦波,頻率0-400HZ可調。

由于我廠是石油煉化企業,變頻器安裝在防爆區以外,變頻器到機泵的距離較遠,一般都在一百多米以外,所以我們在配置時增加了相應的輸出電抗器。
為了保證電動機的可靠運行,變頻器的主要參數設定如下:
1)上限頻率F11設定為電動機的額定頻率50HZ,下限頻率F12設定為5HZ。
2)V、F輸出特性中最高頻率F04及基本運行頻率F05均設為電機額定值50HZ,額定輸出電壓設定380V。
3)V / F曲線模式F07設定為1(因為是風機水泵類平方轉矩負載)。
4)運行頻率控制設定方式F00設定為3,模擬設定2(CCI--GND),用模擬電流 / 電壓端子輸入設定,范圍DC0(2)------10V/0(4---20mA,我們選擇電流輸入4-20mA,此時將控制板上的電壓 / 電流選擇插件CN10的跳線選擇1側。
5)運行命令選擇F02設定為1,外部端子運行控制有效,即用操作柱來啟動變頻器。
6)停機方式F30設定為1,外部端子運行控制有效,即用操作柱來啟動變頻器。
7)停機方式F30設定為1,選擇自由運行停止。
5.　投用效果
變頻調速器投用后,控制回路的穩定性和可靠性比調節閥有明顯提高,控制偏差保持在±1%以內,被控參數波動幅值較小。電機在變頻調速器的控制下保持中速運行狀態。在電機啟動、控制過程中實行延時斜升、斜降,并且有輸出短路、欠壓、過流、過載過熱等報警跳閘及在線故障診斷功能,保證其運行安全可靠,降低故障率,減少了設備損耗,尤其顯著的是節能效果相當明顯。在正常工況下,投用前后的電氣參數如下:

從表中可以看出,使用變頻器后功率節省38.72kw,按年運行8000小時計算,每年可節省電能309760kwh,若按電價0.35元/kwh計算,每年節約電費10.8416萬元。不到一年可收回投資。

三、結束語
實際應用證明,變頻器的使用可取得意想不到的效果,特別是企業正在為降低生產成本提高經濟效益而大量采用新技術的今天,變頻調速技術以其良好的投入產出比,將會有更加廣闊的應用前景。深圳艾默生電氣的變頻器是在消化各種變頻器的基礎上,根據我國電網波動范圍較大的狀況開發的,其功能齊全,性能穩定,到目前為止在我廠使用了12臺艾默生TD2000系列變頻器,功率在90KW-250KW,運行一年多從未出現質量問題。