一. 概述 在我國的制糖行業中，很多重要的生產設備均為高能耗設備，設備的電力拖動離不開調速，受設計時的技術條件的限制，很多設備的拖動調速在設計時大都采用能耗調節，交流電動機變頻調速是在現代微電子技術基礎上發展起來的新技術，它不但比傳統的直流電機調速優越，而且也比調壓調速、變極調速、串級調速等調速方式優越。它的特點是調速平滑、調速范圍寬、效率高特性好、結構簡單、機械特性硬、保護功能齊全，運行平穩安全可靠，在生產過程中能獲得最佳速度參數，是理想的調速方式。應用實踐證明，交流電機變頻調速一般能節電 30%左右，目前工業發達國家已廣泛采用變頻調速技術，在我國也是國家重點推廣的節電新技術。變頻器應用在制糖工業的風機、水泵、壓榨機、離心機等負載，能取得了顯著的節能效果。 二．生產供水節能改造方案 1．原供水系統工況 原供水系統由二路管網系統組成，第一路管網供水水泵六臺，水泵電機分別為：110KW五臺、75KW一臺；第二路管網水泵六臺，水泵電機分別為：155KW五臺、220KW一臺。水泵投切依靠值班人員根據壓力進行投切，水壓隨用生產用水量的變化及泵組的投切變化較大，泵組投切對電網的沖擊影響很大，根據生產工藝對水壓及流量的要求，需要開回流閥進行調節。 2．變頻節能改造方案 由以上系統工況可知，該系統適于作變頻節能改造，改造方案如下： 系統部分采用變頻控制，在每一管網上按裝壓力傳感器，即時檢測管網水壓，根據生產用水量的變化變頻控制系統自動調節水泵電機的轉速從而控制系統供水量，保證管網水壓的恒定。第一路管網由110KW變頻節能系統控制兩臺水泵電機，一用一備，其余四臺工頻控制；第二路管網由220KW節能變頻系統控制一臺220KW水泵電機及一臺155KW水泵電機，一用一備，其余四臺工頻控制。改造后節電效果顯劇，恒壓供水，極大地改善了生產工藝。改造系統控制圖如下： 3．變頻改造節能原理 （1） 泵類的特性和參數 純粹用于抽水的功率叫有效功率 有效功率=（1000QH）/（75×60/0.736）=QH/6.11（kW） 式中，Q為流量（m3/min）;H為總揚程（m）。 設在揚程內1m3的水的重量為1000kg，因此: 泵的軸功率=（有效功率）/ 泵的效率（kW） 電動機輸出功率=（1.05～1.2）×軸功率（kW） 因泵的揚程大小、泵的型號不同，泵的效率不能一概而定，一般標準泵的大致效率曲線如圖2所示。 鑒于泵的設計與制造方面會有誤差，故電機的輸出功率應較軸功率計算值有5～20%的裕量，而后根據流量和揚程求出電動機的功率，圖3為流量和揚程特性曲線。 （2） 管網的水阻特性 當管網的水阻R保持不變時，水量與過水阻力之間的關系是不確定的，即水量Q與過水阻力h按阻力定律變化，其表達式為: 式中，H—過水阻力，R—水阻系數。 H=f（Q）關系曲線為水阻特性曲線，呈拋物線形狀，如圖4所示。由圖4可知，水阻系數R越大，曲線越陡，即過水阻力越大。 （3） 泵類調速控制節能原理 由流體力學可知，水量Q與轉速的一次方成正比，壓力H與轉速的平方成正比，功率P與轉速的立方成正比。 式中: Qe—風機、泵類的額定風（流）量; He—風機、泵類的額定壓力; Pe—風機、泵類的額定功率; ne—風機、泵類的額定轉速。 由上面的公式可知，如果泵類的效率一定，當要求調節水量下降時，轉速可成比例下降，此時水泵的軸功率是成立方關系下降。 另根據水泵類的特性曲線與水阻特性的關系曲線也可明顯的看出風機、水泵的節能效果。圖5為風機、水泵調速節能原理示意圖，圖中曲線H為恒速下的H-f（Q）曲線，其水阻、風阻特性曲線R1相交與A點。對應的風量為Q1。此時風機、水泵的軸功率Q1AH1Q圍成的矩形面積成正比。當欲使風量由Q1減少到Q2使用擋板或閥門時，則新的風阻、水阻特性曲線H相交于B點，此時風機軸功率與Q2BH2Q圍成的矩形面積成正比。如果采用調速方法將風機、水泵的轉速降到n2使對應的風機特性曲線H與風阻特性曲線R2相交于C點。此時與風機軸功率成正比的Q2CH3Q圍成的矩形面積顯著減少，說明軸功率下降很多，節能效果明顯。 4． 系統主要功能 1） 恒壓供水功能 SY6000變頻系統內置PID 調節器，管網壓力傳感器即時檢測管網壓力并轉化為4-20 mA電流信號，直接送入變頻器模擬電流輸入口，設定給定壓力值，PID參數值，變頻器內置PID運算后控制輸出頻率。系統參數可在實際運行中調整，使系統控制響應快速。管網壓力可根據生產工藝任意給定，變頻系統自動跟隨控制，保持管網設定的壓力恒定，既節能又能最好地滿足制糖生產對水壓的要求。 2） 泵組投切指示 系統能即時檢測供水管網水壓，當現有泵組不能滿足生產用水需要或超過生產用水需要時，系統能自動發出投入或切除泵組指示，給出聲光投切泵組報警，指示值班人員投切泵組，從而保證生產用水的需要。 3） 工變頻切換功能 制糖工業供水系統可靠性要求高，一旦故障會影響對整個生產帶來嚴重的影響，因此該系統設置了工變頻切換功能。系統在一般情況下運行在變頻恒壓供水狀態，當變頻器萬一出現故障或例行檢修時，可立即切換到工頻運行，用原有備用自耦降壓啟動系統啟動水泵，從而保證供水的連續性，整個系統的可靠性能很好地滿足生產的要求。兩套啟動系統電氣聯鎖，可防止誤操作，確保系統的安全運行。 5．改造后受益 1） 延長設備及管網使用壽命，減少系統維修工作量。 由于采用變頻恒壓控制，水泵的啟動為軟啟動，消除了大電機啟動時沖擊力矩對電機的影響，水泵在啟動時的沖擊大為減少，同時由于軟啟動且水壓為恒壓控制，消除了啟動時對管網的水錘效應，爆管現象不再發生。因此延長了原有設備的使用壽命，故障率大為降低，減少系統維修的工作量。 2） 改善供水質量，提高了整個系統的可靠性。 采用變頻恒壓控制系統后，可以非常平滑地調節供水壓力，值班人員對系統的調整控制更加穩定自如。隨著生產工藝的變化，可以很方便地調節系統的供水壓力。由于采用新系統后，故障率大為降低，且兩套啟動系統可以互為備用，保證了系統供水的連續性，為系統經濟優化運行提供了可靠保證。 3） 改善工廠的用電狀況。 采用變頻軟啟動后，消除了原啟動系統啟動時對電網的沖擊，新系統的功率因數可達0.95，效率可達0.98，系統工作電流大為減小，線路損耗也大為減少，改善了工廠用電的狀況。 4） 節能效果顯著，經濟效益可觀。 原系統運行時為維持水壓的基本恒定，除需要不斷反復投切泵組外，還需利用回流閥進行小范圍調節，水泵的投切除對電網有沖擊外還需消耗電能，回流閥調節基本不會減少水泵功率的消耗。采用變頻后，變頻泵組能自動根據生產所需的水壓自動調節水泵電機的轉速，保持管網壓力的恒定，變頻泵組調節即時范圍寬，泵組投切次數大大減少，系統節能效果顯著，平均下來整個系統的節電率在30%左右，經濟效益可觀。 5） 減輕值班人員的工作強度 原系統經過改造后，管網水壓自動檢測控制，回流閥無需調節，泵組投切有聲光告警指示，值班人員不會擔心因沒有及時地投切補給泵組、開啟回流閥而導致的水壓過低或過高影響生產事故。 三．鍋爐變頻節能改造方案 1．原系統工況 鍋爐共三臺，供水由兩臺280KW水泵組成，兩水泵并網由兩只電動閥調節進水和回流量；引風機由兩臺250KW風機組成，兩風機并網，獨立電動風門調節，風門開度在75%左右；鼓風機由1臺160KW風機組成，電動風門調節，風門開度在60%左右，二次風機由一臺55KW風機組，風門調節，風門開度60%左右。 2．變頻節能改造方案 1） 鍋爐給水 原系統給水原理圖如下： 由于二臺鍋爐進水電動閥分別控制，在運行過程，雖然蒸汽并網后壓力相同，但由于燃燒過程中存在不確定性，兩臺鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單用恒液位控制方案不適合。通過給水原理圖我們不難發現，要對2臺鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個給水母管向2臺鍋爐給水的現狀徹底改變，將給水系統分開，使每個鍋爐都有自己獨立的給水系統，再在此基礎上加裝變頻控制，由1臺變頻器單獨控制1臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動較大，投資較高，且要停產改造。因此我們設計了采用一套專用于2臺（或2臺以上）鍋爐同時運行時的控制方案，即蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。具體為：用兩只壓力傳感器分別檢測蒸汽總管壓力、給水總管壓力，轉換成4-20mA標準信號送到壓差變送器，其壓差信號經PID調節器與設定值（給定）進行比較后，送到變頻器控制水泵電機轉速，構成閉環控制系統，該方案特點為能在不改變原有系統現狀的前提下，更好的利用變頻系統，節能降耗，減小系統運行，維護費用，提高原有系統的自動化程度。 2） 引風機、鼓風機及二次風機 引風機由二臺250KW變頻系統分別控制二臺引風機，鼓風機由二臺160KW變頻系統分別控制二臺引風機，二次風機由一臺55KW變頻系統控制，與原啟動裝置并聯，原啟動裝置可作備用，不改變原系統。 3．變頻改造節能原理 1） 鍋爐給水 原系統給水依靠電動進水閥及回流閥調節，閥門調節增加了管網阻力，是一種能耗調節。變頻改造后關閉回流支路，打開調節閥，進水靠變頻系統控制調節，減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，運行時隨著鍋爐汽包壓力的變化，變頻器水泵轉速也隨之改變，根據由上介紹的流體力學原理，水量Q與轉速的一次方成正比，壓力H與轉速的平方成正比，功率P 與轉速的立方成正比。 式中: Qe—風機、泵類的額定風（流）量; He—風機、泵類的額定壓力; Pe—風機、泵類的額定功率; ne—風機、泵類的額定轉速。 由上公式可告，變頻改造后水泵電機消耗功率隨蒸汽壓力變化大大減少，節電效果顯著。 2） 引風機、鼓風機及二次風機 風機原系統均依靠進風門調節，風門調節會增加風阻，是一種能耗調節方式，變頻改造后，進風門全開，風阻大大減少，風量靠變頻控制系統控制風機轉速來調節，隨著蒸汽壓力的變化及鍋爐內燃料燃燒情況調節風機轉速從而控制供風量，根據流體力學原理，風機電機消耗功率與轉速的立方成正比可知改造后節電效果顯著。 4．改造后受益 1） 節能效果顯著，經濟效益可觀 根據對豐收糖業的實際工況的了解，鍋爐供水及供風能有較大的富余，變頻改造后節電效果顯著，節電率估計可達40%左右，經濟效益可觀。 2） 改善工廠的用電狀況 變頻改造后，鍋爐風機、水泵電機的啟動均由變頻軟啟動，消除了原啟動系統啟動時對電網的沖擊，新系統的功率因數可達0.95，效率可達0.98，系統工作電流大為減小，線路損耗也大為減少，改善了工廠用電的狀況。 3） 減輕工作人員的勞動強度 變頻改造后提高了整個系統的自動化水平，風壓、水壓的下降以及軟啟動延長了設備的使用壽命，減少了設備的故障率，大大減輕了工作人員的勞動強度。 4） 系統可靠性更高 變頻改造后減少了操作人員失誤帶來的故障，每套變頻系統均有工/變頻切換功率，原有啟動系統變為備用系統，增加了系統的可靠性。 四．分離機變頻改造方案 1．原系統概況　 分離機是制糖業分離脫水工藝的關鍵設備，分離機主要由錐體轉筒、驅動電機組成，電機軸與轉筒直接相連。豐收糖業使用的分離機采用的電機是64-32-8-6極四極電機，最大輸出功率117KW。根據生產工藝，電機轉速需要頻繁切換，多極電機的轉速變化是突變的，頻繁的升速、降速對電網和機械的沖擊較大，帶來的后果是維修費用高，停工損失很大。 2. 變頻改造方案 分離機采用交流變頻器驅動普通三相鼠籠電機可滿足制糖分離工藝的要求。因此可將原四級電機改接為普通的6級電機，由變頻器來控制電機的轉速，考慮到分離機的機械特性屬于恒轉矩大慣性負載，應采用恒轉矩特性的變頻器并配置剎車制動單元，選用合適的制動單元，配以一定的制動電阻滿足分離機剎車制動的要求。 　　為了能增加工作的可靠性及滿足快速剎車制動的要求，變頻器采用ALPHA2000 160kW。這種變頻器具有、低速高轉矩輸出、AVR自動穩壓運行等功能。制動單元采用加能制動單元，該制動單元為加拿大技術，核心器件為進口優質器件，產品穩定可靠。 3. 控制方案 除電機外不改變原系統，因此操作方式也可與原系統一致。變頻控制系統采樣原系統PLC給定速度信號,四個多段速度給定由變頻控制系統控制端子輸入，變頻控制系統輸出頻率（即電機轉速）分別對應改造前的四級時的速度，此速度可由變頻器控制系統內部設定，改造簡單易行。 4. 改造原理 1） 三相交流異步電動機調速原理 三相交流異步電動機的轉速為： 式中，n為每分鐘轉速；f為交流電的頻率；p為磁極對數；s為轉差率。S由負載轉矩與電機輸出轉矩共同決定，不可控，常用的調速方式有變頻調速和變極調速變頻器就是調節f（頻率）來調節電機的轉速。 2）變頻調速與變極調速 變極調速即改變電動機磁極對數來調速，電動機磁極對數變換需通過改變電機繞組來實現，在電機設計時為綜合考慮各磁極對數下對磁通的要求，一般設計裕度比較大，這樣電機在各極速下運行效率都不高，功率因數較低 變頻調速即通過改變電機工作電源頻率來調速，是利用現代電力電子與微電子控制技術實現電源頻率的自由變換，變頻調速可實現電機無沖擊無極調速，由于變頻時保持了V/F的恒定，電機的輸出轉矩能保持恒定，隨頻率F的調節，電源電壓及輸入功率也隨之調節。 3）制動單元及電阻 A、能耗制動 由于負載較重，加速到980r/min后，要在2分鐘的時間內停下來，必須加裝容量與變頻器容量相當的制動單元，制動單元實際上就是一個電壓滯環開關。在電機降速時，負載的動能很大，加在電機轉子上的電壓，給電機提供磁場，電動機變成了三相交流發電機，發電機發的電經逆變橋上的二極管整流變為直流對電容充電。如果電流可以觀測，則電流的流向和降速前相反，表明能量由負載返回變頻器，當電容的充電電壓達到710V時，制動單元開關打開，電流流向制動電阻力，電能以電阻發熱的形式耗掉。由于能量被消耗，電容電壓下降，下降到680V時制動單元關斷。只要制動過程沒有結束，制動單元就會反復地打開和關斷，使負載以平穩的速度，很快地降到零。 B、制動電阻的計算： 在有制動電阻制動的情況下，電動機內部的有功耗損部分，折合成制動轉矩，大約為電動機額定轉矩的20%。因此可用下式計算制動電阻的阻值： 式中：UC為制動單元動作電壓值，現為710V；TB為制動轉矩；TM為電動機額定轉矩；N為開始減速時電機的速度，本例為1000r/min。 由制動單元和制動電阻構成的放電回路中，其最大電流受制動單元ICBG最大允許電流IC的限制，制動電阻的最小允許值為： Rmin＝VC/IC 因此通常Rmin＜RB（5Ω）＜RB0 C、制動電阻的確定 視電機是否重復減速，制定電阻額定功率選擇是不同的，本例中電阻的額定功率為24kW，自然冷卻，如果強迫風冷電阻的額定功率可減小。一般制動電阻應采用雙線并繞的無感電阻，當然也可用普通的箱式電阻，但需在電阻兩端并接一只續流二極管，可使用快恢復二極管，耐壓1000V以上。 5. 改造后受益 1）改善電網供電質量 分離機電機頻繁變極調速，帶來很大的沖擊電流、無功電流嚴重影響電網的供電質量，加重發電機的負荷，使發電機的輸出電壓不穩，紋波大，電網供電質量變差。分離機變頻改造后，速度切換為軟切換，不會對電網帶來沖擊，發電機工況大大改善。 2）延長設備使用壽命，節約維修費用 分離機電機頻繁變極調速，會帶來很大的機械沖擊、切換時所帶來的飛弧都會引起設備壽命的縮短，故障率提高，變頻改造后故障大大減少，停工損失減少為零，節省大量維修費。 3） 控制平穩、快速、精確 通過變頻控制系統及制動單元，可使系統速度切換平穩，制動快速，各動作控制精度高。