風光高壓變頻器在制糖行業中的應用

1 概述

廣西農墾金光制糖有限公司是國家重點產業化企業，現日處理甘蔗量8 000 t，年產機制糖10萬t。但是近年來，隨著產銷量的不斷增加，企業的生產成本也在逐年攀升，特別是原有的鍋爐風機及給水泵，都是高壓大功率電機，起動方式為高壓直接起動，引風機為水阻起動，電動機起動對電網沖擊大、耗能高，干擾電力系統正常運行。引風機和鼓風機起動后操作工根據鍋爐燃燒情況手動控制風機的風門開度，因此產生風阻比較大、電能耗高，容易發生機械故障，鍋爐供水量則通過水位調節系統控制自動閥門調節供水量，供水截流損耗高。電費居高不下，成為困擾企業發展的一大阻力。現在國家普遍提倡節能降耗，隨著《中華人民共和國節能法》的頒布，改進生產工藝，降低生產成本，節能降耗，已勢在必行。

隨著高壓變頻調速技術的日趨完善，高壓變頻器的應用正日益普及。因此，采用高壓變頻器，對原來的工頻控制設備及新上設備進行技術改造，已成為當務之急。為了解決75 t 鍋爐鼓風機、引風機、給水泵存在的以上問題，廣西農墾金光制糖有限公司在2008 年檢修期對75 t 鍋爐進行變頻節能改造。此改造項目被列為廣西壯族自治區經委電機節能技術改造項目，項目投資180 萬元。

經過考察，山東新風光電子科技發展有限公司研發生產的高壓變頻器已在國內著名的鋼鐵、煤炭、化工、石油、制藥等眾多企業的除塵風機、凝結水泵、提升機等設備上都有批量應用，而且取得了較好的效果，因此決定采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓變頻器對鍋爐風機、給水泵等設備進行技術改造。

2 現場的設備情況

75 t 鍋爐鼓風機電機：型號YKK450-4;額定功率280 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;運行電流16 A。

75 t 鍋爐引風機電機：型號YRKK500-6;額定功率560 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;

運行電流29~30 A;閥門開度80%;每年運行時間120天左右。

給水泵電動機：型號YKK450-2;額定功率450 kW;額定電壓10 kV;額定頻率50 Hz;運行電流28 A;工況為一用一備。

3 改造方案

為滿足高壓變頻配置中對變頻器的要求，本著安全第一、質量可靠的方針進行認真的分析，認為鍋爐引風機采用JD-BP38-560 型、鍋爐鼓風機采用JD-BP38-280 型、鍋爐給水泵采用JDBP38-450 型高壓變頻器完全能滿足要求。

3.1 一次回路系統原理

一次回路由進線柜(旁路柜)、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時，將電機投入到工頻電網運行，保證生產不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。

3.1.1 鍋爐鼓風機與引風機一拖一方案

如圖1 所示，保留原系統所有設備，將高壓變頻器串入高壓電機回路。系統變頻運行時，通過改變變頻器頻率改變電機的轉速。若變頻器某單元故障，變頻器自動將該單元短路，高壓變頻器可降頻運行;當變頻器故障單元躍2 時，高壓變頻器可手動切換到工頻運行，保證系統工作的可靠性。

在圖1 中，K1、K2、K3 為電磁鎖，當變頻運行時，K1與K3閉合，K2斷開，當工頻運行時，K1與K3斷開，K2閉合。K1、K2、K3有嚴格的機械和電氣互鎖關系，不能同時閉合，防止工頻與變頻同時送電，造成事故。

3.1.2 鍋爐給水泵一拖二方案

鍋爐給水泵一拖二方案原理如圖2所示。10 kV電源經輸入刀閘到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘送至電動機;10 kV 電源還可經旁路刀閘直接起動電動機。進出線刀閘和旁路刀閘的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開進出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下起動電機運行。旁路刀閘、輸入刀閘、出線刀閘之間有閉鎖，以防止誤操作。

變頻控制系統為一拖二控制方式，兩臺電機機采用一用一備運行方式，即一臺電機在變頻運行狀況下，另外的一臺電機處于工頻待機狀態，作為備用。電機之間可通過手動切換選擇任一臺作為變頻運行泵，兩臺電機均具備工頻/變頻手動切換功能。系統還具有工頻旁路功能，萬一變頻器出現故障，可以轉換到工頻狀態運行，而不會耽誤生產，增加了系統的可靠性。系統改造時,無需做大的改動, 只把高壓變頻器串在原來的控制系統中,系統中的旁路開關柜用于工頻、變頻轉換。

變頻運行狀態：若系統需要1# 電機變頻運行，則將操作臺狀態選擇開關置于1# 變頻運行位置，這時DK1、DK4、DK5、DK6 斷開，DK2、DK3 閉合，通過操作臺控制QF1 的斷開與閉合，實現電機的變頻運行與停止;如2# 電機變頻運行，則將操作臺狀態選擇開關置于2# 變頻運行位置，這時DK1、DK2、DK3、DK4 斷開，閉合DK5、DK6，通過操作臺控制QF2 的斷開與閉合，實現電機的變頻運行與停止。變頻器頻率的高低由操作臺的電位器控制或主機設置。

工頻運行狀態：若系統需要1# 電機工頻運行，則將操作臺狀態選擇開關置于1# 工頻運行位置，這時DK2、DK3、DK4、DK5、DK6 斷開，DK1 閉合，通過操作臺控制QF1 的斷開與閉合，實現電機的工頻運行與停止;如2# 電機工頻運行，則將操作臺狀態選擇開關置于2#工頻運行位置，這時DK1、DK2、DK3、DK5、DK6斷開，DK4閉合，通過操作臺控制QF2的斷開與閉合，實現電機的工頻運行與停止。

3.2 控制系統

控制系統由控制器、光纖、PLC、人機界面和上位機組成。各部分之間的聯系如圖3 所示。

控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。

光纖板通過光纖與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向功率單元發出脈寬調制(PWM)信號或工作模式。功率單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。

主控板采用高速DSP單片機，完成對電機控制的所有功能，采用正弦波載波移相方式產生脈寬調制的三相電壓指令。通過RS232 通訊口與人機界面主控板進行數據交換，提供變頻器的狀態參數給人機界面，并接受來自人機界面主控板設置的參數。

人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負責信息處理和與外部的通訊聯系，可選上位監控而實現變頻器的網絡化控制。通過主控板和PLC 采集的數據，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，提供記錄功能，并實現對電機的過載、過流進行報警和保護。通過RS232 通訊口與主控板連接，通過RS485 通訊口與PLC 連接，實時監控變頻器系統的狀態。風光變頻控制系統主界面如圖4 所示，參數設置界面如圖5 所示。

PLC 用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性。PLC 有處理4 路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理來自現場的流量、壓力等模擬信號或模擬設置時的設置信號;模擬輸出量是頻率給定信號。

上位機由RS485接口與PLC 進行通訊，以方便用戶對變頻器進行操作，并實時監測變頻器的運行參數，若與打印機連接，也可隨時打印工作記錄。只要設置好變頻器的各種運行參數，操作員就可以在監控室內進行各種操作，而無須進入高壓電控室內，既方便又安全，從而減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率。

3.3 控制方式

風光變頻器有三種控制方式：

1)本地控制從變頻器操作界面控制電機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有控制;

2)遠程控制通過內置PLC 接受來自現場的開關量控制;

3)上位控制通過RS485接口，采用Propfibus通訊協議，接收上位系統的控制信號。

3.3 控制方式

風光變頻器有三種控制方式：

1)本地控制從變頻器操作界面控制電機的啟動和停機，并能完成變頻器的所有控制;

2)遠程控制通過內置PLC 接受來自現場的開關量控制;

3)上位控制通過RS485接口，采用Propfibus

本次改造中全部采用上位控制，由操作人員在上位機上實現頻率調節，運行參數的監測等。

3.4 速度設置方式(或閉環運行時的給定方式)

風光變頻器有多種速度設置方式，在閉環運行時，速度設置方式即為被控量的給定方式：

1)本地設置通過液晶屏設置運行頻率;

2)模擬設置接收DCS系統0~10 V或4~20mA 模擬信號設置運行頻率或被控量給定值;

3)通訊設置通過通訊方式接收來自DCS系統的運行頻率或被控量給定值;

4)多檔設置通過開關量設置多檔運行速度或被控量給定值;

5)閉環調節由PID自動設置運行頻率。

在本次改造中，引風機、鼓風機采用開環控制，上位機模擬量信號4~20 mA 電流通過通訊接口對變頻器進行控制。

而鍋爐給水泵則采用閉環調節，由安裝在泵管道上的壓力傳感器采集的壓力信號4耀20 mA電流與變頻器的壓力設定信號相比較，若實際信號大于設定信號，則變頻器降低頻率，若實際信號小于設定信號，則變頻器增加頻率，從而使實際壓力與設定壓力趨于一致，保持管道壓力的穩定，實現恒壓運行。

4 改造后的應用效果

1)節能明顯。改造后，電機運行電流明顯下降，鍋爐鼓風機電流由16A 降為10耀12 A，原系統實際運行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊16伊10 000伊0.80抑222 kW，變頻運行時的功率為P2=1.732伊12伊10 000伊0.95抑197 kW，變頻改造后在鼓風時每小時節省電能為駐P=P1-P2=222-197=25 kW，節電率為25/222伊100%=11%。

引風機電流由29耀30 A降為20 A，原系統實際運行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊30伊10 000伊0.80抑415 kW，變頻運行時的功率為P2=1.732伊20伊10 000伊0.95抑329 kW，變頻改造后在引風時每小時節省電能為駐P=P1-P2=415-329=86 kW，節電率為86/415伊100%=21%。

鍋爐給水泵電流由28 A降為19 A，原系統實際運行功率P1=1.732IUcos漬=1.732伊28伊10 000伊0.80抑388 kW，變頻運行時的功率為P2=1.732伊19伊10 000伊0.95=312 kW，變頻改造后每小時節省電能為駐P=P1-P2=388-312=76 kW，節電率為76/388伊100%=20%。

水泵和引風機的節電率都達到了20%，鼓風機的節電率也在11%，可見，節能效果十分顯著。

2)風光高壓變頻器具有優良的調速性能，特別是鍋爐給水泵實現了自動控制，能很好的滿足負載及工藝要求。

3)變頻系統各種保護功能可靠，從而消除了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現象，確保了系統的安全運行。

4)實現了系統軟啟動，減小了啟動沖擊，延長了設備使用壽命，減少了設備的維護和維修量，降低了維修費用。

5)改造后實現控制更方便、靈活，且自動化水平高。減少了調節閥門的開關次數，降低了員工的勞動強度。

6)通過變頻改造精簡了控制程序，使系統更安全、可靠，確保負載連續運行，并消除了電機的震動，使運行更加穩定，操作更加方便，提高了生產效率，其綜合效益是十分明顯的。