本文介紹了變頻器在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)用中的節(jié)能原理、應(yīng)用方法及變頻器選型與變頻器相關(guān)的保護(hù)裝置及接至電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線(xiàn)的選擇。 1、引言 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它的主電路都采用交-直-交電路。 從理論上我們可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速N與供電頻率f有以下關(guān)系： n=60f（1-s）/p（1） 其中：p--電機(jī)極對(duì)數(shù)S--轉(zhuǎn)差率 由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，如果不改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。在工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用日益廣泛。隨著變頻器的造價(jià)日趨降低，利用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的調(diào)速控制系統(tǒng)，越來(lái)越發(fā)揮出巨大的作用。 2、變頻器在鍋爐控制系統(tǒng)中的主要目的 變頻器在工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中，主要用于鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、供水系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。這些關(guān)系是： 流量∝轉(zhuǎn)速，壓力∝轉(zhuǎn)矩∝轉(zhuǎn)速的平方，功率∝轉(zhuǎn)速的三次方。 即：風(fēng)機(jī)或水泵流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因而，理想情況下有如下關(guān)系： 流量（%） 轉(zhuǎn)速（%） 壓力（揚(yáng)程）（%） 功率（%） 100 100 100 100 90 90 81 72.9 80 80 64 51.2 70 70 49 34.3 60 60 36 21.6 50 50 25 12.5 由上述關(guān)系可見(jiàn)，當(dāng)需求流量下降時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能源。例如：當(dāng)流量需求減半時(shí)，如通過(guò)變頻調(diào)速，則理論上講，僅需額度功率的12.5%，即可節(jié)約87.5%的能源。如采用傳統(tǒng)的擋板方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，雖然也可相應(yīng)降低能源消耗，但節(jié)約效果與變頻相比，則是天壤之別。 3、變頻器在鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)上的應(yīng)用 3.1、爐排電機(jī)選用的變頻器與鼓、引風(fēng)機(jī)選用的變頻器型號(hào)不同。 爐排變頻選用恒轉(zhuǎn)矩變頻器，鼓、引風(fēng)機(jī)變頻選用恒功率變頻器。 3.2、鼓、引風(fēng)機(jī)控制 鼓、引風(fēng)機(jī)采用變頻控制，這是鍋爐系統(tǒng)中變頻應(yīng)用的重頭戲。即是節(jié)電最顯著的部分，同時(shí)也是變頻投資最大的部分。這主要是由于鼓、引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的幅度相對(duì)也較大。變頻器在工業(yè)鍋爐調(diào)速控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、供水系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)。其最主要的目的在于節(jié)約能源。采用變頻調(diào)速方法節(jié)能的原理，是基于流量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。這些關(guān)系如公式：P2（n2/n1)3P1=0.512P1即可降低能耗近50%。在鼓、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度問(wèn)題，以使變頻器可以適當(dāng)提高頻率（大于50Hz）即提高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以保證鍋爐系統(tǒng)有足夠的風(fēng)量，否則，極易造成原系統(tǒng)大負(fù)荷時(shí)風(fēng)量夠用（但裕度?。?，變頻改造后，大負(fù)荷時(shí)風(fēng)量不夠的尷尬局面。其原因在于變頻本身也消耗一部分功率，其輸出功率比標(biāo)稱(chēng)功率略小的緣故。 3.3、爐排變頻控制 爐排電動(dòng)機(jī)很小，因而采用變頻器控制。其主要目的是穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然節(jié)電也很大只是絕對(duì)數(shù)值占的比重很小。爐排變頻控制的特殊性在于： 3.3.1、爐排由于經(jīng)常處于低速運(yùn)行，所以電動(dòng)機(jī)散熱會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，解決的方法是選用變頻專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)。 3.3.2、由于低速運(yùn)行時(shí)變頻器輸入電流很小，但輸出電流很大，遠(yuǎn)大于電機(jī)額定電流。此時(shí)變頻器是采用低壓大電流保證電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。因此，變頻器必須提高一檔選型。否則，無(wú)法保證爐排電動(dòng)機(jī)的低速運(yùn)行。 3.4、恒壓供水 在鍋爐供水系統(tǒng)中，采用變頻控制，既能大量節(jié)約能源，又能穩(wěn)定供水系統(tǒng)的壓力，保障鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是非常有實(shí)際意義的，并且供水系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相對(duì)鼓、引風(fēng)機(jī)而言容量較小，投資不大。因此，非常值得推廣采用。 供水系統(tǒng)變頻應(yīng)用的特殊性：鍋爐供水系統(tǒng)一般采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，并聯(lián)母管式供水，沒(méi)有必要每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都采用變頻。既經(jīng)濟(jì)又可靠的方法是：只有兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)由變頻自動(dòng)控制且這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)為一用一備方式工作。主要是利于電動(dòng)機(jī)檢修。其他供水電動(dòng)機(jī)仍采用常規(guī)控制方法，其原因有兩點(diǎn)： 3.5、在并聯(lián)母管式供水方案下，全自動(dòng)控制供水方案不實(shí)用，無(wú)實(shí)際意義。主要原因是每臺(tái)水泵的單向止回閥泄露問(wèn)題和更換問(wèn)題。全自動(dòng)控制供水時(shí)，單向止回閥前后的截止閥必須始終保持打開(kāi)狀態(tài)，才能保證自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，水能夠自動(dòng)流出。但隨著鍋爐負(fù)荷的增減，水泵電動(dòng)機(jī)不會(huì)全部運(yùn)行。這樣，不運(yùn)行的水泵電動(dòng)機(jī)，由于單向止回閥在水壓的作用下，極易發(fā)生泄露，造成水的回流及電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。而當(dāng)需要停止的水泵運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)由反轉(zhuǎn)變?yōu)檎齻鞯倪^(guò)程中，由于電動(dòng)機(jī)的超負(fù)荷大電流，必然造成控制電路超負(fù)荷跳閘。解決的方法是：采用半自動(dòng)控制，設(shè)定供水壓力上、下限報(bào)警。上限報(bào)警時(shí)，通知操作人員關(guān)掉一臺(tái)水泵。下線(xiàn)報(bào)警時(shí)。通知操作人員啟動(dòng)一臺(tái)水泵。而變頻控制的水泵則保證在可調(diào)范圍內(nèi)的恒壓供水。每臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)均采用變頻控制，投資太大，且由于上述原因，也沒(méi)有必要，并且不實(shí)用。 3.6、沖渣泵的變頻控制 沖渣泵采用變頻控制，其目的有兩點(diǎn)：節(jié)約電力，節(jié)約水。 方法是采用高、低速分時(shí)控制。高速運(yùn)行一段時(shí)間，然后，低速運(yùn)行一段時(shí)間，自動(dòng)交替運(yùn)行。高速運(yùn)行時(shí)把爐渣沖走，低速運(yùn)行時(shí)保證爐渣滅火。 4、變頻器在工業(yè)鍋爐應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn): 4.1、實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，揭開(kāi)了鍋爐運(yùn)行自動(dòng)化的新篇章。使難以控制的燃燒過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。在網(wǎng)絡(luò)化日益普及的今天，與普通的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬線(xiàn)連接方式而言，通過(guò)高速通訊連接的變頻器系統(tǒng)可以最大程度上降低系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、減少運(yùn)行成本。 4.2、控制電機(jī)的啟動(dòng)電流。當(dāng)電機(jī)通過(guò)工頻直接啟動(dòng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生7到8倍的電機(jī)額定電流。這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而變頻調(diào)速則可以在零速零電壓?jiǎn)?dòng)（當(dāng)然可以適當(dāng)加轉(zhuǎn)矩提升）。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照WF或矢量控制方式帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低啟動(dòng)電流，提高繞組承受力，用戶(hù)最直接的好處就是電機(jī)的維護(hù)成本將進(jìn)一步降低、電機(jī)的壽命則相應(yīng)增加。 4.3、降低電力線(xiàn)路電壓波動(dòng)。在電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，電流劇增的同時(shí)，電壓也會(huì)大幅度波動(dòng)，電壓下降的幅度將取決于啟動(dòng)電機(jī)的功率大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會(huì)導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，如咒機(jī)、傳感器、接近開(kāi)關(guān)和接觸器等均會(huì)動(dòng)作出錯(cuò)。而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時(shí)逐步啟動(dòng)，則能最大程度上消除電壓下降。 4.4、可對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量作平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，風(fēng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，工況曲線(xiàn)更符合系統(tǒng)，可提高風(fēng)機(jī)效率，避免了“喘振”現(xiàn)象。穩(wěn)定了爐膛壓力，滿(mǎn)足工作環(huán)境的要求。 4.5、低速運(yùn)行可以減少磨損，降低噪音，有利于延長(zhǎng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。 4.6、節(jié)能效果顯著。由于最終的能耗是與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后，大大地節(jié)約了成本，投資回報(bào)更快，用戶(hù)也愿意接受。 5、變頻器實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題【1 5.1、缺相保護(hù)問(wèn)題 變頻器本身有各種保護(hù)功能，且功率強(qiáng)大。但在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)變頻器的缺相保護(hù)并不完善。主要是變頻器在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生缺相，它能夠有保護(hù)作用，但如果送電時(shí)就發(fā)生缺相，則變頻器本身并不能檢測(cè)和保護(hù)。一旦啟動(dòng)變頻器，在啟動(dòng)初始低速運(yùn)行階段，由于單相大電流，極易造成變頻器燒損。所以在設(shè)計(jì)變頻器控制電路時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)缺相保護(hù)電路，以防意外損壞。 5.2、變頻器功率的選擇 選擇變頻器時(shí)，要充分考慮原系統(tǒng)電機(jī)裕度問(wèn)題。否則，原系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)行正常，改變頻控制后，發(fā)現(xiàn)變頻電機(jī)容量不夠，再更換大一檔變頻，必然造成不必要的損失與麻煩。 5.3、遠(yuǎn)距離變頻控制的可靠性問(wèn)題 變頻器的控制端子，均為弱電直流信號(hào)或節(jié)點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)采用遠(yuǎn)距離控制時(shí)，應(yīng)充分考慮線(xiàn)路的抗干擾問(wèn)題和損耗問(wèn)題。尤其是當(dāng)采用開(kāi)、關(guān)量進(jìn)行加、減速控制時(shí)，要使節(jié)點(diǎn)輸出盡可能與變頻安置在一起，以防無(wú)源節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)路阻抗和干擾造成控制不靈敏或失效。 5.4、設(shè)計(jì)選型中的其它問(wèn)題【3 5.4.1、空氣斷路器的選擇 由于變頻器具有軟啟動(dòng)、無(wú)沖擊的特性，所以、空氣開(kāi)關(guān)可以按變頻器容量選擇。不需要考慮電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。 5.4.2、熱保護(hù)的選擇 由于變頻器控制單臺(tái)電動(dòng)機(jī)，不需要選擇熱保護(hù)繼電器，直接采用變頻器的熱保護(hù)即可。但若同時(shí)控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，則每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)要單獨(dú)計(jì)算及選擇。但選擇時(shí)，要根據(jù)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的電流情況選擇，而不是根據(jù)電機(jī)額定電流選擇。此電流比電動(dòng)機(jī)額定電流大得多。 5.4.3、電流、電壓的檢測(cè)問(wèn)題 由于變頻器輸出端的電流、電壓隨頻率發(fā)生變化，所以、對(duì)變頻設(shè)備的電流、電壓檢測(cè)均應(yīng)在變頻器的進(jìn)線(xiàn)端進(jìn)行。即電流互感器、電壓表均應(yīng)設(shè)計(jì)在進(jìn)線(xiàn)端。即空氣斷路器后，變頻器前。 5.4.4、導(dǎo)線(xiàn)問(wèn)題 變頻器進(jìn)線(xiàn)可以適當(dāng)減少裕度。因?yàn)樽冾l器節(jié)電的特征，即是減少進(jìn)線(xiàn)電流。但變頻器的出線(xiàn)要適當(dāng)加大裕度，尤其是長(zhǎng)期低速運(yùn)行的變頻器設(shè)備，其輸出電流是相當(dāng)大的。 6，金翔海變頻器在江門(mén)某染廠鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用 該系統(tǒng)鼓風(fēng)/引風(fēng)采用兩臺(tái)金翔海SAJ8000系列160KW變頻器，恒壓泵采用金翔海75KW，循環(huán)泵采用金翔海45KW變頻器，另外其他一些小電機(jī)采用電磁調(diào)速器調(diào)速。該系統(tǒng)采用控制室內(nèi)集中控制，顯示，人性化管理，以下為該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖片： 7、結(jié)束語(yǔ) 工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速實(shí)現(xiàn)鍋爐的控制，穩(wěn)定性和可靠性高，調(diào)節(jié)特性好。由于變頻器可以非常平滑穩(wěn)定地調(diào)整，運(yùn)行人員可靈活地調(diào)控燃燒系統(tǒng)、供水系統(tǒng)，提高了鍋爐效率，減少工作強(qiáng)度。變頻調(diào)速使電機(jī)運(yùn)行明顯改善，維護(hù)量明顯減少，同時(shí)大大減少和機(jī)械系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。使系統(tǒng)更加方便操作，設(shè)備工作效率明顯提高，系統(tǒng)采用過(guò)流、過(guò)壓、瞬時(shí)斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護(hù)，避免了因此贊成電機(jī)燒損而影響生產(chǎn)所帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，更為重要是它的節(jié)能效果取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。