流变频调速器应用在熔窑热工控制中

摘要：本文从窑炉助燃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。 
关键词：变频器 应用推广
一 前言
    交流变频调速技术是一项具有八十年代中期水平的技术。采用交流电动机变频调速器（以下简称变频器）控制工业过程中的风机、水泵，则是这项技术的具体应用。这项技术在一些行业已得到推广和应用，普遍使用效果较好。我们于九二年及其以后的设计中采用这项技术，解决熔窑助燃风流量的控制问题。经过实际使用，效果比较理想。以下是我们在应用过程中的一些体会。
二 变频器应用中的利与弊
     以重油为燃料的玻璃熔窑热工控制中，助燃风流量闭环控制系统，是构成炉温、油、风串级比值调节（或双交叉调节）系统的一个重要组成部分。助燃风流量控制就执行装置来说，目前有两种控制方式供选择：一种是采用蝶阀进行截流式控制；另一种是采用变频器，进行变频调速的控制。这两种方式均有应用的实例。在我们设计过的瓶罐玻璃工厂中，有几条引进生产线，自控系统随熔窑引进，其中助燃风流量控制执行装置采用的是调节风门（Regurated Flap），其结构和动作原理同国内蝶阀，已使用多年。我们自行设计的熔窑控制系统则采用变频器作为助燃风流量控制的执行装置。为什么我们自己设计的助燃风流量控制系统采用变频器呢？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。下面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，在别的行业已有应用成功的实例。
    （２）节能。据资料介绍，变频器节能效果理论计算高可达50%，平均达41%。由于调节蝶阀是靠压差来调节的，因此约有压差的三分之一的能量作为压力损失消耗，而变频器自身功耗仅占总功率3%左右。采用变频器的控制方案，助燃风风机扬程可以往低选型。
    （３）不占用直管段。*，瓶罐玻璃厂熔窑助燃风管路系统特点是 
    口径大、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。例如长的可达7米，管道内径450mm，约合16D；短的只有1米，管道内径700mm，约合1.4D ；一般以2~4米为多，在相应管径下约合4~6D。根据常用的气体流量测量装置对直管段要求情况看，以均速管的要求较低，据产品说明书介绍，zui有利的管路结构情况下（同一平面内有一个900弯头或三通），上游侧（以下称前）需7D，下游侧（以下称后）需3D，有的样本给出zui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*D，后5D，才能保证1%的测量精度。对于仅有4~8D直管段情况下，若再安装自身厚度约0.3米的蝶阀的话，相当于插入了一个阻力元件，则连4~8D直管段也没有了，均速管流量计的直管段不能满足要求，则直接影响测量精度，甚至将无法保证测量结果准确性。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，直管段比较容易满足。但受到工艺条件的限制，并非每个厂都能做到。采用变频器方案，由于没有管路阻力元件，相对于采用蝶阀的方案来说有利一些。
    （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上，一般安装在距地面2米~7米的空间，安装和检修不方便，管径助燃风风量，zui大流量18000m3/h，配用电机功率7.5KW 。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4~20mA信号，由配电器转换成1~5号送微机系统，由微机系统输出4~20mA信号进入变频器，通过变频器去改变助燃风机电机转速，从而达到改变风量目的。
    变频器采用日本富士（FUJI）公司产品，型号为FRN7.5G9S-4JE，规格为：装置容量14KVA，配接电机7.5KW ，输出频率0~400Hz，zui大输出电流18A，输入电压为三相380V，50Hz。这种机型主控板采用双32位CPU，PWM技术，输出功率元件采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块。变频器操作面板采用一块键板（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、液晶显示及八个软键，LED显示输出电压、电流、频率、电机转速、转矩等运行参数，液晶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－电缆将键板远拉至10米处进行远方操作。变频器上除0~10V或4~20mA输入、外部电位器设定输入、频率输出（0~60Hz，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子用于其他用途，由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书。
    变频器的安装位置设在风机旁的混凝土立柱上，操作和观察很方便。
    为了保证变频器的正常运行，将其置于带门锁、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。
    调节器手操
     20%
     35%
     50%
     60%
     75%
     80%
     90%
     *
     
    输出值（mA）
     7.2
     9.6
     12
     13.6
     16
     16.8
     18.4
     20
     
    输出频率（z）
     9.15
     16.7
     24.18
     29.25
     36.75
     39.25
     44.34
     .34
     
    输出电流（A）
     6.06
     6.17
     6.45
     6.85
     7.84
     8.34
     9.36
     10
     
    输出电压（V）
     69
     126
     182
     221
     276
     295
     334
     372
     
    转速（red/m）
     183
     334
     483.5
     584.2
     734.2
     785.6
     887.2
     　
     
    转矩
     9
     14
     20
     26
     36
     41
     50
     61
     
    测量风量（m3/h）
     3486
     5150
     7250
     6800
     10800
     11800
     13250
     14590
     
    平均风量（m3/Hz）
     381
     343
     301
     294
     294
     301
     299
     296
     
    V/F特性（red/Hz）
     7.54
     7.54
     7.53
     7.56
     7.51
     7.52
     7.53
     7.54
     
    
    注：1. 调节器手操输出为百分数，输出值（mA）为理论计算值，并不是实际测量值。
    2. 风量测量值显示的是一个波动值,约在本表取值的±50m3/h上下波动。
三 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，在我国市场的产品有：日本安川（YASKAWA）、富士（FUJI）、日立（HITACHI）、三菱（MITSUBISHI）、三肯（SANKEN）、松下（NATIONAL），美国ABB，丹麦丹佛斯，德国西门子（SIEMENS），韩国金星（GLOGSTAR，有译为高士达），中国台湾台达、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（采用中国台湾普传PI90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面板上的设定方式看可分为两类：一类是电位器设定（模拟）方式，早期的产品采用这种方式，另一类是软键设定（数字）方式，为目前的主流产品所采用。
    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0~10V.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16CPU，PWM技术。功率输出元件采用GTR模块。
    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.DC或4~20mA。DC信号，亦可以通过外部电位器进行设定。输出频率采用LED数字显示，显示功能比较丰富，除了显示频率外，电压、电流、转速等主要参数可手动切换显示。主控板采用16位或32位CPU，采用全数字矢量PWM技术。功率元件采用IGBT模块。更进一步的元件采用IPM（Inligent 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，性能价格比高。
    以下是目前较*的变频器产品具有的一些基本特点。
    （１）采用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，
    模拟量给定（4~20mA），
    电位器给定（0~1K），
    固定频率给定，
    遥控数据传输。
    （４）丰富的数字显示。
    （５）丰富的内部功能。
    （６）适应各种场合。
    （７）采用IGBT模块。
    （８）各种保护功能，例如过电流、过电压、欠电压、过载、接地短路、变频器过热、瞬时停电等基本保护功能均具备。
    （９）匹配电机容量范围广：三相380V，50Hz，0.2~220KW。
    （１０）输出频率准确度：0.2~0.5级。
    目前市场上还有一种产品，自带PID功能，只需将检测信号接入，在变频器上进行PID参数设定，则可控制电机，例如美国ABB公司生产的变频器。这种产品适合于分散的单参数调节的场合，同时可省去一个PID调节器。
四 结束语
     对助燃风实行开环控制或闭环控制的应用实践证明，采用变频器作为执行装置*可以满足控制质量要求。选用变频器作为熔窑助燃风控制系统的一个执行环节，具有调节性能好，系统的稳定性高，体积小、易安装、易维护等特点，对窑炉热工制度比较有利，值得推广。实际选用在满足基本功能情况下，应优先考虑产品质量可靠，价格合理。新一代变频器保护功能及低频运行性能较好，质量相对来说较优，价格也还合理，对于使用台数不多、可靠性要求较高的助燃风控制系统来说，值得选型时优先考虑。由于变频器具有节能、控制特性好、易操作的特点以及随着产品不断改进，价格逐步降低，应用范围在逐步扩大。瓶罐玻璃行业的窑炉加料系统、供油系统、窑炉冷却系统等场合风机、水泵、电磁线圈都适于采用变频器控制。