风光高压变频器在制糖行业中的应用

1 概述

广西农垦金光制糖有限公司是国家重点产业化企业，现日处理甘蔗量8 000 t，年产机制糖10万t。但是近年来，随着产销量的不断增加，企业的生产成本也在逐年攀升，特别是原有的锅炉风机及给水泵，都是高压大功率电机，起动方式为高压直接起动，引风机为水阻起动，电动机起动对电网冲击大、耗能高，干扰电力系统正常运行。引风机和鼓风机起动后操作工根据锅炉燃烧情况手动控制风机的风门开度，因此产生风阻比较大、电能耗高，容易发生机械故障，锅炉供水量则通过水位调节系统控制自动阀门调节供水量，供水截流损耗高。电费居高不下，成为困扰企业发展的一大阻力。现在国家普遍提倡节能降耗，随着《中华人民共和国节能法》的颁布，改进生产工艺，降低生产成本，节能降耗，已势在必行。

随着高压变频调速技术的日趋完善，高压变频器的应用正日益普及。因此，采用高压变频器，对原来的工频控制设备及新上设备进行技术改造，已成为当务之急。为了解决75 t 锅炉鼓风机、引风机、给水泵存在的以上问题，广西农垦金光制糖有限公司在2008 年检修期对75 t 锅炉进行变频节能改造。此改造项目被列为广西壮族自治区经委电机节能技术改造项目，项目投资180 万元。

经过考察，山东新风光电子科技发展有限公司研发生产的高压变频器已在国内著名的钢铁、煤炭、化工、石油、制药等众多企业的除尘风机、凝结水泵、提升机等设备上都有批量应用，而且取得了较好的效果，因此决定采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器对锅炉风机、给水泵等设备进行技术改造。

2 现场的设备情况

75 t 锅炉鼓风机电机：型号YKK450-4;额定功率280 kW;额定电压10 kV;额定频率50 Hz;运行电流16 A。

75 t 锅炉引风机电机：型号YRKK500-6;额定功率560 kW;额定电压10 kV;额定频率50 Hz;

运行电流29~30 A;阀门开度80%;每年运行时间120天左右。

给水泵电动机：型号YKK450-2;额定功率450 kW;额定电压10 kV;额定频率50 Hz;运行电流28 A;工况为一用一备。

3 改造方案

为满足高压变频配置中对变频器的要求，本着安全第一、质量可靠的方针进行认真的分析，认为锅炉引风机采用JD-BP38-560 型、锅炉鼓风机采用JD-BP38-280 型、锅炉给水泵采用JDBP38-450 型高压变频器完全能满足要求。

3.1 一次回路系统原理

一次回路由进线柜(旁路柜)、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。

3.1.1 锅炉鼓风机与引风机一拖一方案

如图1 所示，保留原系统所有设备，将高压变频器串入高压电机回路。系统变频运行时，通过改变变频器频率改变电机的转速。若变频器某单元故障，变频器自动将该单元短路，高压变频器可降频运行;当变频器故障单元跃2 时，高压变频器可手动切换到工频运行，保证系统工作的可靠性。

在图1 中，K1、K2、K3 为电磁锁，当变频运行时，K1与K3闭合，K2断开，当工频运行时，K1与K3断开，K2闭合。K1、K2、K3有严格的机械和电气互锁关系，不能同时闭合，防止工频与变频同时送电，造成事故。

3.1.2 锅炉给水泵一拖二方案

锅炉给水泵一拖二方案原理如图2所示。10 kV电源经输入刀闸到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸送至电动机;10 kV 电源还可经旁路刀闸直接起动电动机。进出线刀闸和旁路刀闸的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开进出线刀闸，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸，在工频电源下起动电机运行。旁路刀闸、输入刀闸、出线刀闸之间有闭锁，以防止误操作。

变频控制系统为一拖二控制方式，两台电机机采用一用一备运行方式，即一台电机在变频运行状况下，另外的一台电机处于工频待机状态，作为备用。电机之间可通过手动切换选择任一台作为变频运行泵，两台电机均具备工频/变频手动切换功能。系统还具有工频旁路功能，万一变频器出现故障，可以转换到工频状态运行，而不会耽误生产，增加了系统的可靠性。系统改造时,无需做大的改动, 只把高压变频器串在原来的控制系统中,系统中的旁路开关柜用于工频、变频转换。

变频运行状态：若系统需要1# 电机变频运行，则将操作台状态选择开关置于1# 变频运行位置，这时DK1、DK4、DK5、DK6 断开，DK2、DK3 闭合，通过操作台控制QF1 的断开与闭合，实现电机的变频运行与停止;如2# 电机变频运行，则将操作台状态选择开关置于2# 变频运行位置，这时DK1、DK2、DK3、DK4 断开，闭合DK5、DK6，通过操作台控制QF2 的断开与闭合，实现电机的变频运行与停止。变频器频率的高低由操作台的电位器控制或主机设置。

工频运行状态：若系统需要1# 电机工频运行，则将操作台状态选择开关置于1# 工频运行位置，这时DK2、DK3、DK4、DK5、DK6 断开，DK1 闭合，通过操作台控制QF1 的断开与闭合，实现电机的工频运行与停止;如2# 电机工频运行，则将操作台状态选择开关置于2#工频运行位置，这时DK1、DK2、DK3、DK5、DK6断开，DK4闭合，通过操作台控制QF2的断开与闭合，实现电机的工频运行与停止。

3.2 控制系统

控制系统由控制器、光纤、PLC、人机界面和上位机组成。各部分之间的联系如图3 所示。

控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。

光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向功率单元发出脉宽调制(PWM)信号或工作模式。功率单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。

主控板采用高速DSP单片机，完成对电机控制的所有功能，采用正弦波载波移相方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232 通讯口与人机界面主控板进行数据交换，提供变频器的状态参数给人机界面，并接受来自人机界面主控板设置的参数。

人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过主控板和PLC 采集的数据，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，提供记录功能，并实现对电机的过载、过流进行报警和保护。通过RS232 通讯口与主控板连接，通过RS485 通讯口与PLC 连接，实时监控变频器系统的状态。风光变频控制系统主界面如图4 所示，参数设置界面如图5 所示。

PLC 用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。PLC 有处理4 路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号;模拟输出量是频率给定信号。

上位机由RS485接口与PLC 进行通讯，以方便用户对变频器进行操作，并实时监测变频器的运行参数，若与打印机连接，也可随时打印工作记录。只要设置好变频器的各种运行参数，操作员就可以在监控室内进行各种操作，而无须进入高压电控室内，既方便又安全，从而减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。

3.3 控制方式

风光变频器有三种控制方式：

1)本地控制从变频器操作界面控制电机的启动和停机，并能完成变频器的所有控制;

2)远程控制通过内置PLC 接受来自现场的开关量控制;

3)上位控制通过RS485接口，采用Propfibus通讯协议，接收上位系统的控制信号。

3.3 控制方式

风光变频器有三种控制方式：

1)本地控制从变频器操作界面控制电机的启动和停机，并能完成变频器的所有控制;

2)远程控制通过内置PLC 接受来自现场的开关量控制;

3)上位控制通过RS485接口，采用Propfibus

本次改造中全部采用上位控制，由操作人员在上位机上实现频率调节，运行参数的监测等。

3.4 速度设置方式(或闭环运行时的给定方式)

风光变频器有多种速度设置方式，在闭环运行时，速度设置方式即为被控量的给定方式：

1)本地设置通过液晶屏设置运行频率;

2)模拟设置接收DCS系统0~10 V或4~20mA 模拟信号设置运行频率或被控量给定值;

3)通讯设置通过通讯方式接收来自DCS系统的运行频率或被控量给定值;

4)多档设置通过开关量设置多档运行速度或被控量给定值;

5)闭环调节由PID自动设置运行频率。

在本次改造中，引风机、鼓风机采用开环控制，上位机模拟量信号4~20 mA 电流通过通讯接口对变频器进行控制。

而锅炉给水泵则采用闭环调节，由安装在泵管道上的压力传感器采集的压力信号4耀20 mA电流与变频器的压力设定信号相比较，若实际信号大于设定信号，则变频器降低频率，若实际信号小于设定信号，则变频器增加频率，从而使实际压力与设定压力趋于一致，保持管道压力的稳定，实现恒压运行。

4 改造后的应用效果

1)节能明显。改造后，电机运行电流明显下降，锅炉鼓风机电流由16A 降为10耀12 A，原系统实际运行功率P1=1.732IUcos渍=1.732伊16伊10 000伊0.80抑222 kW，变频运行时的功率为P2=1.732伊12伊10 000伊0.95抑197 kW，变频改造后在鼓风时每小时节省电能为驻P=P1-P2=222-197=25 kW，节电率为25/222伊100%=11%。

引风机电流由29耀30 A降为20 A，原系统实际运行功率P1=1.732IUcos渍=1.732伊30伊10 000伊0.80抑415 kW，变频运行时的功率为P2=1.732伊20伊10 000伊0.95抑329 kW，变频改造后在引风时每小时节省电能为驻P=P1-P2=415-329=86 kW，节电率为86/415伊100%=21%。

锅炉给水泵电流由28 A降为19 A，原系统实际运行功率P1=1.732IUcos渍=1.732伊28伊10 000伊0.80抑388 kW，变频运行时的功率为P2=1.732伊19伊10 000伊0.95=312 kW，变频改造后每小时节省电能为驻P=P1-P2=388-312=76 kW，节电率为76/388伊100%=20%。

水泵和引风机的节电率都达到了20%，鼓风机的节电率也在11%，可见，节能效果十分显著。

2)风光高压变频器具有优良的调速性能，特别是锅炉给水泵实现了自动控制，能很好的满足负载及工艺要求。

3)变频系统各种保护功能可靠，从而消除了因电机过载或单相运行而烧毁电机的现象，确保了系统的安全运行。

4)实现了系统软启动，减小了启动冲击，延长了设备使用寿命，减少了设备的维护和维修量，降低了维修费用。

5)改造后实现控制更方便、灵活，且自动化水平高。减少了调节阀门的开关次数，降低了员工的劳动强度。

6)通过变频改造精简了控制程序，使系统更安全、可靠，确保负载连续运行，并消除了电机的震动，使运行更加稳定，操作更加方便，提高了生产效率，其综合效益是十分明显的。