变频设备在压裂车上的使用分析PPT课件

1 第一章传动系统介绍 2 工作机 传动装置 原动机 传动系统 一次原动机 二次原动机 机械传动 电气传动 流体传动 复合传动 各种负载 3 直流调速装置 交流调速装置 直流电机 交流电机 交流电源输入 AC DC AC 变频器 执行机构 中间传动机构 皮带 齿轮箱等 终端机械 风机 泵等 电气传动系统示意图 4 发动机或电动机 液力传动装置 工作机 液力变矩器等 5 6 7 8 导轮 9 10 第二章压裂车介绍 11 12 1 压裂的定义所谓压裂就是利用水力作用 使油层形成裂缝的一种方法 又称油层水力压裂 2 压裂车的工作原理压裂车是用来做油层压裂工艺的 把高压大排量具有一定黏度的液体 压裂液 挤入油层 当把油层压出许多裂缝后 加入支撑剂 如石英砂等 充填进裂缝 提高油层的渗透能力 以增加注水量 注水井 或产油量 油井 3 压裂车的组成部分压裂车主要由运载 动力 传动 泵体等四大件组成 压裂泵是压裂车的工作主机 现场施工对压裂车的技术性能要求很高 压裂车必须具有压力高 排量大 耐腐蚀 抗磨损性强等特点 13 柱塞泵的结构和工作原理依靠柱塞在缸体中往复运动 使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油 压油 柱塞泵具有额定压力高 结构紧凑 效率高和流量调节方便等优点 被广泛应用于高压 大流量和流量需要调节的场合 诸如液压机 工程机械和船舶中 斜盘式单作用轴向柱塞泵工作原理动画如下 14 图二如下所示 15 一次原动机 液力变速箱 标准减速箱 柱塞泵 一次原动机 发电机 变频器 变频电机 标准减速箱 柱塞泵 压裂车的两种传动方案 16 液力传动和电气传动在压裂车应用中的比较 17 西门子变频器介绍 在进行变频器选型前 首先确定要采用哪个系列的变频器 每个系列的变频器都有其特点 了解了这些特点 才能选到最合适的那台变频器 18 变频器简要工作原理 整流部分 储能环节 逆变部分 M 交流 交流低压交直交通用变频器系统框图 直流 直流 交流 整流器 将交流电变换成直流的电力电子装置 其输入电压为正弦波 输入电流非正弦 带有丰富的谐波逆变器 将直流电转换成交流电的电力电子装置 其输出电压为非正弦波 输出电流近似正弦 19 更为直观的交直交变频原理框图 Rb 制动电阻 R0 预充电电阻 R1R2 均压电阻 20 变频器的整流单元 不可回馈 可以回馈 二极管 晶闸管 双向晶闸管 IGBT 二极管 IGBT 二极管 功率因数补偿 21 不能再生回馈的交流变频器和整流单元 AC电源 AC负载 V0 R0 AC电源 AC负载 双向整流回馈变频器 22 不能再生回馈的交流变频器和制动单元 AC电源 AC负载 V0 R0 AC电源 AC负载 双向整流回馈变频器 整流和逆变均为PWM控制的变频器 23 西门子驱动器 低压变频器 中压变频器 直流调速器 24 西门子低压变频器 老系列 新系列 MicroMaster4通用型 6SE70工程型 SINAMICSG高性能单机驱动变频器 SINAMICSS高性能单 多机驱动变频器 SINAMICSV高品质变频器 升级 升级 25 26 27 28 29 30 31 通用低压变频器的选型 32 变频器选型 系列类型的选择 容量的选择 负载类型及特性 最优的控制方法 特殊的注意事项 电机电流是关键 运行方式定容量 33 负载分类1 恒转矩负载 特点 负载的转矩LT不随转速n的变化而变化 是一恒定值 但负载功率随转速成比例变化 典型系统 位能性负载 如电梯 卷扬机 起重机 抽油机等 摩擦类负载 如传送带 搅拌机 挤压成型机 造纸机等 例如起重机吊起重物时 重物受到地球引力为LF 卷绕轮的半径为r 则负载转矩为LT rLF 不管电动机的转速如何 因为LF不变 LT不变 故这类负载具有恒转矩特性 34 恒功率负载 特点 当负载的转速发生变化时 其转矩也随着变化 而负载的功率始终为一恒定值 典型系统 车床以相同的切削线速度和吃刀深度加工工件时 若工件的直径大 则主轴的转速低 若工件的直径小 则主轴的转速高 保持切削功率为一恒定值 又如卷绕机 开始卷绕时卷绕直径小 转矩小 则卷绕速度高 当卷绕直径逐渐增大时 转矩增大 则卷绕速度降低 保持卷绕功率为一恒定值 35 平方转矩负载 特点 负载转矩与转速的平方成正比 即TL Kn2 而负载功率与转速的三次方成正比 即P Kn3 这类负载用变频器调速具有很好的节能效果 典型系统 风机 泵类等流体机械 36 变频器的选型方法1 按电动机实际工作电流选型选型时 要根据电机的实际工作电流 不是铭牌电流 来选型变频器 而不是铭牌功率 原则上要求 在长时工作时 变频器输出电流 电机实际工作电流 一般情况下 项目是先选电机 后选变频器 即变频器的选型都是针对即有电机进行的 电机的实际工作电流与实际工况有关 只有熟悉工况 估算出电机的工作电流随时间变化的关系 才能确定相应的变频器的型号 1 一般情况下 拖动恒转矩负载的电机 可以以额定电流为依据 选择变频器 比如10KW电机 20A额定电流 变频器样本上10KW的变频器 21A输出电流 可以选这个变频器 2 一般情况下 拖动风机泵类负载的电机 也可以以额定电流为依据 选择变频器 3 经常短时过载运行的电机 需要计算过载周期 要求变频器最大输出电流Imax大于电机峰值电流 比如10KW电机 20A额定电流 间歇工作制 1秒内过载运行2倍 即电流为40A 之后停止运行29秒 这就需要根据变频器过载曲线来选型 可以画一下电机电流随时间变化的曲线出来 要求变频器的输出电流曲线能覆盖 超过 电机电流曲线即可 对于重载变频器的选型 往往有一些经验数据可以参考 比如同类项目 4 电机大 而工作负载轻时 可以根据实际情况选小变频器 37 2 按负载类型选择变频器电动机所带动的负载有以下几种 1 风机和水泵 最普通的负载 对变频器的要求最为简单 只要变频器容量等于电动机容量即可 空压机 深水泵 泥沙泵 快速变化的音乐喷泉需加大容量 2 起重机类负载 这类负载的特点是启动时冲击很大 因此要求变频器有一定余量 同时 在重物下放时 会有能量回馈 因此要使用制动单元或采用共用母线方式 3 不均衡负载 有的负载有时轻 有时重 此时应按照重负载的情况来选择变频器容量 例如轧钢机机械 粉碎机械 搅拌机等 4 大惯性负载 如离心机 冲床 水泥厂的旋转窑 此类负载惯性很大 因此启动时可能会振荡 电动机减速时有能量回馈 应该用容量稍大的变频器来加快启动 避免振荡 配合制动单元消除回馈电能 38 变频器选型注意事项选择变频器时应注意以下几点注意事项 1 根据负载特性选取适当控制方式的变频器 39 40 2 选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据 电机的额定功率只能作为参考 另外 应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波 会使电动机的功率因数和效率变坏 因此 用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较 电动机的电流会增加10 而温升会增加20 左右 所以在选择电动机和变频器时 应考虑到这种情况 适当留有余量 以防止温升过高 影响电动机的使用寿命 3 变频器若要长电缆运行时 此时应该采取措施抑长电缆对地耦合电容的影响 避免变频器出力不够 所以变频器应放大一 两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器 4 当变频器用于控制并联的几台电机时 一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内 如果超过规定值 要放大一档或两档来选择变频器 另外在此种情况下 变频器的控制方式只能为V F控制方式 并且变频器无法实现电动机的过流 过载保护 此时需在每台电动机侧加熔断器来实现保护 5 对于一些特殊的应用场合 如高环境温度 高开关频率 高海拔高度等 此时会引起变频器的降容 变频器需放大一档选择 41 6 使用变频器控制高速电机时 由于高速电动机的电抗小 会产生较多的高次谐波 而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加 因此选择用于高速电动机的变频器时 应比普通电动机的变频器时 应比普通电动机的变频器稍大一些 7 变频器用于变极电动机时 应充分注意选择变频器的容量 使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下 另外 在运行中进行极数转换时 应先停止电动机工作 否则会造成电动机空转 恶劣时会造成变频器损坏 8 驱动防爆电动机时 变频器没有防爆构造 应将变频器设置在危险场所之外 9 使用变频器驱动齿轮减速电动机时 使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约 润滑油润滑时 在低速范围内设有限制 在超过额定转速以上的高速范围内 有可能发生润滑油用光的危险 因此 不要超过最高转速容许值 10 变频器驱动绕线转子异步电动机时 大多是利用已有的电动机 绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比 绕线电动机绕组的阻抗小 因此容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象 所以应选择比通常容量稍大的变频器 一般绕线电动机多用于飞轮力矩GD2较大的场合 在设定加减速时间应多注意 42 11 变频器驱动同步电动机时 与工频电源相比 会降低输出容量10 20 变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积 12 对于压缩机 振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下 如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话 有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象 因此 应了解工频运行情况 选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器 13 变频器驱动潜水泵电动机时 因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大 所以选择变频器时 其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流 14 当变频器控制罗茨风机或特种风机时 由于其起动电流很大 所以选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大 15 选择变频器时 一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配 否则现场的灰尘 水汽会影响变频器的长久运行 16 单相电动机不适用变频器驱动 43 西门子变频器的选型 44 45 根据使用环境 选用西门子变频器的方法如下 1 风机 水泵类负载这是常用的场合 使用变频器节能效果显著 特点是对速度精度要求不高 单体传动 对加减速时间没有要求 属于要求相对宽松的场合 如果追求廉价 那首推MM430 如果比MM430的功率还要小 那么可以使用MM420 如果比MM430的功率范围还要大 那么可以使用SINAMICSV50 如果比V50的功率范围还要大 那么可以使用SINAMICSG150 总体来说 是按功率范围来分 从小到大依次是 MM420 MM430 V50 G150 46 2 一般调速场合 单体传动 廉价之选 可以使用MM440 支持矢量控制 转矩控制 具有非常实用的起动 制动方式 自由功能块等 甚至可以把MM440用于简单卷曲的场合 功率到200KW 其次 作为MM440的升级 SINAMICSG120也是不错的选择 G120的功能大于等于MM440 关于两者的比较 前面已经提到 G120也很便宜 功能更跟得上时代 如果超出了MM440功率范围 可以使用MasterDrives6SE70 这是老产品了 CUVC的速度 转矩控制精度比MM440要高一个数量级 是典型的工程型变频器 比较皮实 抗燥 对于资金充裕的单位 还是推荐使用SINAMICSS120系列变频器 毕竟CUVC要退出历史舞台了 以后都是CU320的天下 在S120系列中的单体传动控制单元CU310也很实用 总体来说 按功率范围来分 从小到大 从旧到新 依次是 MM440 G120 6SE70 S120 47 3 一般调速场合 多台传动 多传生产线的全线协调运行 需要使用AC DC和DC AC结构的变频器 老系列是6SE70CUVC 新系列是SINAMICSS120 这是市场上比重很大的一部分 总体来说 按新旧来排序 依次是 6SE70 S1204 高速动态响应 伺服控制 位置控制 定位场合老系列是使用6SE70CUMC控制器 另外 通过PLC的运行控制功能 也可以弥补驱动器功能上的不足 比如使用T系列的PLC 如CPU315T等 或者使用高速计数模块FM353 FM458等 也可以用SIMOTION 新系列是SINAMICSS120 S120本身定位就是伺服驱动器 在配置过程中 可以选择配置为伺服驱动 同时本身带有简单的定位功能程序步 可以实现回零 定位等简单的位置控制 它与SIMOTION的组合 是最理想的生产机械配置方案 总体来说 目前最灵活的方案就是 SIMOTION S120 48 5 驱动步进电机场合使用SINAMICSV60或V80 功率就到2KW V60功率段大一点 能到10000脉冲 转 6 其他场合根据实际需要 如果要求高防护等级 则选用SINAMICSG120D 如果追求廉价 小功率 那么SINAMICSV10也能用 对于简单定位的场合 追求廉价 那么SINAMICSS110也能用 49 柴油发电机组相关问题 50 主要内容 一 柴油发电机组的简介1 组成2 用途3 主要技术参数二 机组选型1 主要因素2 容量选择3 非线性负载的影响 51 一 柴油发电机组的简介 1 组成柴油机 交流同步发电机 控制屏以及底盘联轴器 散热器 燃油箱等组成 52 柴油机和发电机的轴间采用直接联接方式通常主轴上还装有飞轮以增加运行的平稳度柴油发电机组一般是由制造厂家装配为成套机组供应也有的是根据电力负荷及其特性 确定发电机的容量和台数后 再选择驱动发电机的柴油机 53 2 用途常用电源备用电源应急电源 54 3 主要技术参数功率因数 0 8功率 长行功率 Primepower 又称主用功率又称为连续功率 定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下 每年可能运行的时数不受限制的某一可变功率序列内存在的最大功率 等同于国标和ISO标准中的基本功率 PRP 备用功率 StandbyPower 定义为 发电机组在规定的维修周期之间和规定的环境条件下能够连续运行300h 每年最多500h工作小时的最大功率 等同于国标和ISO标准中的限时运行功率 LTP 一般适用于通信 楼宇等负载变化较多的偶然应急工况 55 普遍都是用主用功率来标识柴油发电机组的 而在国际上又是采用备用功率 又称为最大功率来标识柴油发电机组 市场上常常有不负责任的厂家用最大功率当作连续功率来介绍和销售机组 造成许多用户在这两个概念上产生误解在国内是用主用功率即连续功率来标称的每12个小时之内有1个小时可在连续功率的基础上超载10 此时的机组功率就是我们平时所说的最大功率 即备用功率 即主用功率 0 9 备用功率 56 二 机组选型 1 主要因素 机械与电气性能机组的用途负荷的容量 特性与变化范围自动化功能等 57 1 柴油发电机组的用途 由于柴油发电机组可用于常用 备用和应急等3种情况 因此不同用途对柴油发电机组的要求就有所区别 2 柴油发电机组负荷容量 应根据不同用途选择负荷容量和负荷的变化范围 确定柴油发电组机的单机容量和备用柴油发电机组容量 3 柴油发电机组的使用环境条件 主要指海拔高度和气候条件 4 柴油发电机组的选择 5 选购柴油发电机组要注意发电机与励磁方式 6 柴油发电机组的自动化功能的选择 58 2 机组容量的选择一般负载线性负载 电压和电流之间是线性关系的负载 常见的线性负载有加热器 白炽照明灯 变压器 直接启动或传统降压启动方式的电动机等自备柴油发电机组容量的选择 目前国家尚无统一的计算公式 有的简单地按电力变压器容量的10 20 确定 有的按消防设备的容量相加 59 根据实际情况选择需要系数Kx 一般取0 85 0 95 自备柴油发电机组的功率kw 负荷设备的计算容量kw 总负荷kw 发电机并联运行不均匀系数一般取0 9单台1 可靠系数 一般取1 1 60 按最大的单台电动机或成组电动机起动的需要 计算发电机容量 起动容量最大的电动机或成组电动机的容量 kw 总负荷的计算效率 一般取0 85 电动机的起动功率因数 一般取0 4 电动机的起动倍数 全压起动C 1 Y 起动C 0 67 自耦变压器起动50 抽头C 0 25 65 抽头C 0 42 80 抽C 0 64 61 按起动电动机时母线容许电压降计算发电机容量 电动机的起动电流倍数 发电机的暂态电抗 一般取0 25 母线允许的瞬时电压降 有电梯时取0 20 无电梯时取0 25 在实际工作中 也可用系数法估算柴油发电机组的起动能力 62 非线性负载非线性负载 电压和电流之间是非线性关系的负载 在负载投入 运行过程中 电压 电流的关系是经常变化的 其波形也不是我们常说的正弦交流波 而是含有不光滑的畸变成分 根据数学的方法可分解为基波和一系列的高次谐波 主要是5次 7次等奇次谐波 63 典型的非线性负载 1 软起动器 可控硅电动机启动器 2 开关电源 UPS 逆变元件 电池充电器 3 变频控制的电动机 起重机 电梯 泵等制造过程控制 如温控箱 炉 加热器 4 电子数据图象设备 电视 电影等无线电发射设备 可控灯光设备 5 电信通信设备 6 整流器 荧光灯等 64 非线性负载的影响柴油发电机组的内阻相对市电来说要大很多 非线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变也会大很多 并造成油机输出电压失真严重 此外还会造成 1 控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断 认为是过压 超频等原因 从而造成油机停机2 输出电压不稳 输出高压造成所带负载烧毁 65 柴油发电机组在带动非线性负载时如果选型匹配不当会产生如下不正常现象 1 发电机组的输出电压突然增高到440V以上 而且极不稳定 2 发电机组测量仪表或控制器检测到的输出频率在40 60Hz之间波动 极不稳定 66 3 发电机组在出现频率或电压异常的同时出现严重的机械共振现象 柴油机出现有节奏的摇摆和声音起伏 迫使柴油发电机组的保护装置动作或必须人工保护停机 4 非线性负载的高次谐波导致反常的导体发热 损坏发电