变频器与传动]变频调速器在熔窑热工控制中应用

1、变频器与传动变频调速器在熔窑热工控制中应用本文从窑炉助然风流量控制中变频器与调节蝶阀的选用方案比较入手，通过应用实例，介绍 变频器一些基本性能，节能、易操作特点及选用注意事项，为扩大变频器在瓶罐玻璃工厂应 用提供参考。一、前言交流变频调速技术是丁项具有八丁年代屮期国际水平的技术。采用交流电动机变频 调速器（以下简称变频器）控制各种场合的风机、水泵，则是这项技术的具体应用。这项技 术在一些行业己得到推广和应用，使用效果较好，受此启发，我们于九二年及其以后的设计 中采用这项技术，解决熔帘助燃风流量的控制问题，经过实际使用，效果比较理想。事实上, 这项技术在瓶罐玻璃行业也有其它同行所采用，只是未作交

2、流而己。我们希望通过此文抛砖 引玉，与同行们交流砌磋，互相促进，更好的解决窑炉自控问题。二、变频器应用中的利与弊人家知道，燃油的玻璃熔窑助燃风流量闭环控制系统，是构成炉温、油、风串级 比值调节（或双交乂调节）系统的一个重要组成部分。在国内，瓶堵玻瑞工厂熔窑助燃风流 量作为被控对象的历史较之重油流量控制要晚，原因之一是受检测元件和执行装置限制。国 产均速管、涡街流暈计的出现，为助燃风流量检测提供了条件。而助嫌风流t控制执行装置 目前有两种方式供选择：一种是采用蝶阀，进行截流式控制：另一种是采川变频器，通过改 变输入频率来改变风机的电机转速，从而达到改变风量的目的。这两种方式均有应用的实例。 在我

3、们设计过的瓶罐玻璃工厂中，冇几条引进生产线，自控系统随熔窜引进，其中助燃风流 量控制执行装置采用的是调节风门（reguratedflap） , -x结构和动作原理同国内蝶阀，己 使用多年。我们白行设计的熔窑控制系统则釆用变频器作为助燃风流量控制的执行装盖。为 什么我们自己设计的助燃风流量控制系统采川变频器呢？这是我们根据玻璃工厂工艺情况 和变频器的特点经过分析后得出结果。下而是我们采用变频器的一些看法。1、有利因素：（1）采用变频器控制风机、水泵是一项成熟的技术，在别的行业l1有应用成功的实例。（2）节能。据资料介绍，变频器节能效果高可达50%,平均达41%.由于调节续阀 是靠压差來调节的，因

4、此约有压差的二分z的能lot作为环力损失消耗，而变频器口身功 耗仅占总功率3%左右。（3）不占用直管段。众所周知，瓶罐玻璃厂熔窑助燃风管路系统牡点足门径大、 主管道的直管段较短，主管道要同时满足检测仪表和执行装置的直管段比较困难。根据我们 设计的助燃风管路情况看，送风主管路的管道长短不一。例如k的町达了米，管逆内径450nun, 约合16d；短的只有1米，管边内径700mm,约合1.4d； 一般以2-4米为多，在相应管径下 约合46d,根据常用的气体流鼓测量装置对直管段要求悄沉石，以均速管的要求较低，据 产品说明书介绍，最有利的管路结构情况下（同一平而内有一个900弯头或三通），上游侧（以下称

5、前）需7d,下游侧（以下称后）需3d,冇的样本给出最低直管段要求为前2d,后 2d。从多数的助燃风送风侧管路情况看，均速管需前7d,后3d,否则将达不到均速管所给 出1%的测量精度指标。而涡街流量计，至少需前10d,后5d,才能保证1%的测量精度。对 于仅有48d直管段情况下，若再安装白身厚度约。3米的蝶阀的话，相当于插入了一个阻 力元件，则连48d直管段也没有了，均速管流黄计的直管段不能满足要求，则直接影响测 量精度，其至将无法保证测量结欠准确性。在近年来的设计中，采用了在吸风口侧装设吸风 管道，将检测元件安装在吸风管道上的做法，克管段比较容易满足，但受到工艺条件的限制, 并非侮个厂都能做到

6、。采川变频器方案，由于没有管路阻力元件，相对于采用蝶阀的方案來 说有利一些。（4）变频器安装方便，易于操作。由于调节蝶阀是嵌装在助燃风管道的七，一般 安装在距地面2米7米的空间，安装和检修不方便，管径大的还要加固风管：而变频器可 以安装在风机旁亦可安装在控制室（最好不耍离电机太远），除对口动及远方操作外，述町 在机旁手动操作，数据显示丰富，相对蝶阀要方便得多。（5）从投资上看，h前变频器的价格与国产蝶阀价格相差不是很大，例如，管径 600,的国产轻型电动蝶阀（zajw-0. 1）,铸钢材质，99年的价格为每台0.70.8万元， 气动蝶阀（zscw-0. 6）,铸钢材质，99年的价格为每台0.

7、6力元左右（不带定位器及手轮）， 现一台5. 5k w国产变频器价格为0. 70. 8万元，一台5. 5k w进口变频器价格为0. 81. 1 万元左右。国产变频器价格已与相应规格的国产蝶阀价格和近。2、不利因素:（1）变频器输出转矩在低频段不能保持恒定。由于电机定了绕组有铜损，电机工 作在低频时，绕组内部的压降不可忽峪。据资料介绍，电机在1015hz以下低频运行时， 其输出转矩会有所下降，大约下降10%30%,在6hz以下运行时，电机输出转矩仅达额立 转矩的60%70%。因此，对于恒转矩工作特性的对象（例如罗茨风机）在选用变频器时， 应考虑这一因索，避免工作在低频段。如果耍求长期在低频段工作

8、，应选用适用于恒功率特 性的变频器或考虑变频器配套功率比电机功率捉高一个功率级，以免应过流而损坏。（2）存在电机损耗和温升。用变频器驱动普通电机吋，山于变频器输出电压波形 中除所需的基木频率外，还有载波频率及5次、7次谐波等。载波频率使电机的铁损增加， 各次谐波频率主要使铜损增加。据资料介绍，与直接由电网电压驱动相比，电机的温度将有 所升高，严重时，温升可高出1020摄氏度。如果电机在低频段运行，由于电机转速降低, 自身冷却效果亦降低，将进一步促使电机的温升提高。（3）存衣电磁噪音。产生电磁噪音的原因是由于变频器输出电压波形为非正弦波 形，上面“毛刺”很多，尤其是电机在低频段运行时较明显。我们

9、在早期的实际应用中，采 用一种国产变频器，在10h刁以下运行时有电磁噪音，在6脱以下运行时，电磁噪音比较明 显，有时有刺耳的尖叫声。近年來，国内外的变频器产品，采用了 16位或32位的cpu（central processing unit,中央处理器），有较好的软件,加上功率输出元件采用igbt （insulated gate bipolar transistor,绝缘栅双极型品体管），输出波形比较平滑，减 少了启动和低频运行时的噪音。后来我们釆用日本富士电机公司frx5000系列g9s型变频器, 从lhz-50hz运行段，电机的电磁噪音不明显，更没有尖叫。这也说明电磁噪音与变频器质 量亦冇很

10、大关系。另一个问题是对电源的“污染”问题，但由于助燃风调节中所用变频器容 量较小，这个问题不突出。（4）存在电机共振的可能性。用变频器的另一注意点是要防止某一工作点与电机 （或风机）的本振频率发生共振，这时电机的震动及噪音将增人。实用中我们没有遇到这种情况。（5）不适用于多台风机并联运行、采用总管式供风情况，而适介于一台助燃风机 对一台熔窑的场合。变频器可以带多台电机，但从工艺的角度考虑，这种情况下没有实用价 值，而调节蝶阀在总管式供风情况下可实现对单台窑炉助燃风量的控制。以上几点不利因素是采用变频器时应当考虑的，但是随着变频器白身技术改进，某 些因索影响在减弱，例如电磁噪音，另外对于熔窑助燃

11、风的电机来说，由于功率较小、运行 工况及使用环境较稳定，在选用质量较好的变频器情况下，这些不利因素相对影响小，根据实际运行情况看，可长期稳立工作。综合分析，用变频器取代蝶阀作助燃风流量控制执行装置，利大于弊，这就是我 们选用变频器的原因。根据以上分析，两种方案的特点対比如下：采用变频器的方案特点：(1) 调节原理：通过对风机的电机变频调速实现风量控制，无管道压力损失，自 身功耗小，节能。低频段运行有电磁噪音，温升增高。(2) 安装、操作方便，易于维修。(3) 投资:比蝶阀稍高。采丿ij蝶阀的方案特点：(1) 调节原理：截流式，前后需有0.30. 5kpa压力损失。风机全压指标相应选 人，不节能

12、。(2) 风管道需加厚、支撑，现场操作及维修不方便。(3) 比变颇器稍低。三、助燃风机变频调速控制的特点(1) 一般变频器采取控制v/f (电压/频率)比值恒定的方式，以防低速运行时电 机因过流而烧坏。(2) v/f比值与电机转矩特性有恒转矩、减转矩以及恒转矩/恒功率等特性z分， 助热风机为减转矩特性。减转矩特性的好处是低速运行时不需很大转矩，因此能够通过降低 电压提高效率。(3) 根据电机转速与频率成正比，与极数成反比的特性，对于己选定的风机，其 配套带来的电机极数己定，因此，改变频率，即可改变其转速。（4）由于风量与转速一次方成正比，通过变频器改变助燃风机电机的转速达到线 性改变风量的h的

13、。四、某工程实施方案图1助燃风风量，最大流量18000m3/h,配用电机功率7. 5kwo流量通过均速管流量计 检测，测量的差压值经差压变送器转换420ma信号，中配电器转换成15v信号送微机系 统，由微机系统输出420ma信号进入变频器，通过变频器去改变助燃风机电机转速，从而 达到改变风量h的。变频器采用口本富士(fujt)公司产品，型号为frn7. 5g9s-4je,规格为：装置容 星14kva,配接电机7. 5kw,输出频率0400hz,最大输出电流18a,输入电压为三相380v, 50hzo这种机型主控板釆用双32位cpu, pwm技术.输出功率元件釆用igbt (绝缘栅双极刑 品体管

14、)模块。变频器操作面板采川一块键板(keypad),键板通过一个插接口与变频器相 连，辅以螺钉紧固。键板上有led显示、液品显示及八个软键，led显示输出电爪、电流、 频率、电机转速、转矩等运行参数，液品显示程序步及设定参数。键板亦可以通过变频器上 的rs-232c接口，利用选件一一电绩将键板远拉至10米处进行远方操作。变频器上除0 10v或420ma输入、外部电位器设雄输入、频串输出(060hz,脉冲或模拟方式)、报 警输出等连接端子外，还有外部制动等连接端了用于其他用途，市于助燃风控制系统上较少 采用，故不一一罗列，具体可参考有关说明1几变频器的女装位置设在风机旁的混凝土立柱上，操作和观察

15、很方便。为了保证变频器的正常运行，将其直于带门锁、两侧有散热孔的保护箱内。以下是现场对变频器联机调试时测试得到的一组数据，列表1如下。表11调节器输出值(ma)20%35%50%60%75%80%90%100%7.29.61213.61616.818.420输岀频率(z)951524.129.2536.7539.2544.3449.3|输出电流(a)6.066.176.456.857.84&349.3610.0|输出电压(v)69】2618222】276295334372转速(red/m)183334483.5584.2734.2785.6887.2986.2转矩91420263645

16、06】测量风量(m'/h)348651507250woo10800118001325014590平均风量(亦砂381308300294294301299296v7f 特性(red/hz)7.547.547.537567.517.527.537.54注：1.调节器手操输出为冇分数，输出值5a)为理论计算值，并不是实际测暈值。2.风量测量值显示的是一个波动值，约在本表取值的土50m3/h ±下波动。五、变频器产品的目前情况目前变频器的生产厂家较多，据我们所知，在我国市场的产品冇：丨|本女川 （yaskawa）,富士（fuji）、h立（hitachi）、三菱（mitsubishi）

17、、三肯（sanken）、松 f （national）,美国abb,丹麦丹佛斯,德国西门子（siemens）,韩国金星（glogstar.有译为髙士达），台湾台达、普传、北京比莱恩（北京电机总厂引进日本三菱电机公司技术 生产）、西安西普（采用台湾普传pt90系列技术）、北京北茂、深圳华为等公司产品。市场上的产品从操作而板上的设立方式看可分为两类：一类是电位器设定（模拟） 方式；另一类是软键设定（数字）方式。面板上采用电位器设定频率的变频器，其外部设定输入信号有010v. dc或4 20ma. dc信号，也可以通过外部电位器进行设定。输出频率采用模拟仪表指示或led数字显 示。主控板采用8位或位1

18、6cpu, pwm技术。功率输出元刊釆用gtr校块。面板上采用软键设定频率的变频器，其外部设定输入信号亦有0-10v.d c或4-20mao dc信号，亦可以通过外部电位器进行设定。输出频率采川if d数宇显示，显示功 能比较半富，除了显示频率外，电压、电流、转速等土要参数可手动切换显示。土控板采用 16位或32位cpu,釆用全数字久员pwm技术。功率元件采用igbt模块。吏进-步的元件釆 用 ipm （intelligent power module adopting igbt,采用 igbt 的智能功率模块），这是 一种内置保护电路的功率输出模块。数字设定变频器是近年来新产品。这种产品除了继承以往产品功能外，新增了不少 功能，尤其是采用了磁通矢量控制实现低速高转矩（高达150%）以及采用igbt功率输出模 块，在一定程度上解决了低频低转矩以及低频产生电磁噪音的问题，通用性更好，价格比以 往产品高出50%左右（以5.sk w产品为例）。以下是目前较先进的变频器产品具冇的一些基本特点。（1）釆用32位cpu。例如日本日立j300系列、富士 frng9s系列（采用双32位 cpu）,日本三肯公司if系列产品等。（2）通信接口功能。（3）多种设定方式:数字式频率给定，模拟