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空冷器风机调速改造

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2013年08月16日
摘 要
为了控制产品的冷却温度，需为空冷器风机的转速增加调控手段。本次空冷器风机调速改造方案中，采用了变频调速技术，可实现无级平滑变速传动。选用变频器为ABB公司生产，技术非常成熟。
本次改造方案的设计中，保留了原有的控制系统作为备用，提高了风机的运行可靠性。但在电路设计中，一、二次控制回路均采取安全措施，双重电气联锁，保证系统运行安全。
文章通过分析变频器投入运行后的相关运行参数，可以得出以下结论：普通的三相异步电动机也能使用变频器控制其转距和转速，且节能效果良好。

关键词：空冷器；三相异步电动机；变频调速

目 录
第1章 引 言 - 3 -
1.1 问题的提出 - 3 -
1.2 三相异步电动机的调速方法的选择 - 3 -
1.2.1 三相异步电动机的工作原理 - 3 -
1.2.2 空冷器风机驱动系统改造选用变频调速方法 - 3 -
第2章 变频器的工作原理和节能分析 - 4 -
2.1变频器工作原理 - 4 -
2.2风机的特性和节能分析 - 4 -
第3章 空冷器风机驱动系统变频改造过程 - 5 -
3.1 空冷器风机驱动系统介绍 - 5 -
3.2空冷器风机驱动系统改造方案简述 - 5 -
3.3 空冷器风机驱动系统变频改造主电路介绍及元器件选择 - 6 -
3.4 空冷器风机驱动系统变频改造的控制电路介绍 - 9 -
3.5变频器运行参数值设置的几点说明 - 11 -
第4章 空冷器风机驱动系统变频改造节能效果分析 - 11 -
第5章 空冷器风机变频改造待改进事项 - 13 -
第6章 总结 - 14 -
致谢 - 15 -
参考文献 - 16 -

第1章 引 言
1.1 问题的提出
**公司一厂的芳烃分离装置T0102塔产品参数控制不甚理想，经过分析认为是空冷器冷后温度过低造成的。为此，建议对E0106M1/M2、E0105M1/M2/M3这五台空冷器的电动机增加调速功能，降低风机转速，以提高冷后温度。
1.2 三相异步电动机的调速方法的选择
1.2.1 三相异步电动机的工作原理
电动机定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。
转子的实际转速 比磁场的同步转速 要慢一点，所以称为异步电动机，
（1-1）
式中：为三相交流电源频率，一般是50Hz；为磁极对数。为转差率。
1.2.2空冷器风机驱动系统改造选用变频调速方法
从（1-1）可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。故三相异步电动机的调速有如下表中七种方法。
现针对风机用电动机就七种调速方法加以分析：
电动机调速 方法
分析说明
结论
1
变极对数调速法
电机绕组更改困难，且需增加电机电缆和更改控制系统，改造复杂，造价高。
不可行
2
变频调速法
技术成熟 ，工程改动小，目前变频器价格也不贵。
可行
3
串级调速法
这是针对绕线式电动机，风机电动机为笼型电动机。
不可行
4
绕线式电动机转子串电阻调速法
5
定子调压调速法
技术落后，效率低下。
不可行
6
电磁调速电动机调速法
这是针对电磁调速电动机。如更换电动机，其安装很困难，需改动电动机的安装方式和与风机的联接传动方式，改动非常复杂，投入成本高。
不可行
7
液力耦合器调速法
这里电动机是立式安装，根本不可能安装液力耦合器装置。
不可行
由式（1-1）可以看出，对于三相异步电动机，改变输入电源的频率就可以改变电动机的转速，进而达到异步电机调速的目的。
综上所述，本次空冷器风机驱动系统改造选用变频调速方法。

第2章 变频器的工作原理和节能分析
2.1变频器工作原理
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器 ,目前国内大都使用交- 直- 交变频器。

图1交- 直- 交变压变频器的原理框图[1]
上图绘出了变频器的原理框图，它仍是一个交-直-交变压变频装置，只是整流器UR是不可控的，它的输出电压经电容滤波后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件采用全控式器件，按一定规律控制其导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。
在这里，通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。
2.2 风机的特性和节能分析[2]
风机是传送气体的机械设备，是把电动机的轴功率转变为流体的一种机械。风机电机输出的轴功率为:
P=
其中：Q-风量； H-风压；-风机效率；-传动机构效率。
从流体力学原理得知，风机的电动机轴功率P与其风量Q、风压H之间的关系为：P∝Q×H
当电动机的转速由n1变化到n2时，风量由Q1变化到Q2，Q、H、P与转速的关系如下：

Q2= Q1× (1)
H2= H1×〔〕2 (2)
P2= P1×〔〕3 (3)

由上式可以看出，风机的风量与风机的转速成正比，风压与转速的平方成正比，风机的轴功率等于风量与风压的乘积，即风机的轴功率与风机电机转速的三次方成正比。
由于风机的轴功率是和风机的转速的三次方成正比，所以当需要对风机降速时，可以大幅度的降低电动机的输出功率（轴功率），也就可以大量地节约电能。
一般风机使用变频调速以后可以节约20%－50%的电能。

第3章 空冷器风机驱动系统变频改造过程
3.1 空冷器风机驱动系统介绍　　
本次所需改造的空冷器风机有5台。原控制系统采用传统的起-保-停控制电路。控制柜安装于芳烃装置配电室，操作柱置于风机旁，现场操作，属远程异地控制。配电室距风机设备现场约150米左右。
风机的电动机为防爆型三相异步电动机，6极，额定功率为30KW，额定电压为380V。
3.2 空冷器风机驱动系统改造方案简述
本次方案中，空冷器冷却温度的控制是通过改变空冷器风机的送风量大小来控制的，即通过风机的驱动电动机调速来控制风量。
变频调速目前已经成为主流的调速方案，可实现无级平滑变速传动。本次采用ABB变频器ACS510系列，该系统产品适用于风机、泵类设备控制，符合空冷风机运行要求。
本次技改，主要针对五台空冷器风机（E-0105M1/M2/M3,E-0106M1/M2），增加五套变频调速系统。变频器集成后组装在三个控制柜（新增）内。
根据现场情况，变频器控制柜安装在芳烃装置配电室。
1、控制系统改造原则：保留现有控制系统不变，增加变频器控制系统。
两控制系统均可独立工作。从用电安全方面上考虑，两控制系统之间增加电气联锁。
2、在电动机控制系统中设变频器、原柜控制功能。正常情况下，电动机由变频器控制，当变频器发生故障时，切除变频器，改为原柜控制，不会因变频器故障造成停机。
（1）、由于现场每台电机只有一个操作柱，这已被现有控制系统占用，故变频器控制系统只能在配电室控制柜上控制。变频器工作时，现场操作柱上的指示灯不亮，但操作柱上的电流表有电流指示，可监视电机运行状况。DCS系统的监控不受影响，与现在操作一样。
（2）、当原柜控制时，变频器不工作。空冷器现场操作，运行方式与现有运行方式一样，即现场操作柱上操作。
3.3 空冷器风机驱动系统变频改造主电路介绍及元器件选择
我厂芳烃装置空冷器电动机增设变频器控制系统，同时保留原有控制系统，这样构成双系统控制。两控制系统由于工作原理的不同，不能同时工作。
在两套控制系统之间进行切换操作时，有一个短暂停机过程。两套控制系统之间设置电气保护联锁。

图2 空冷器风机驱动系统图
为便于独立操作两套控制回路，特为变频器提供独立电源。
电源开关单元图示如下：

图3 变频器电源柜改造接线图
元器件选择：
(1) 变频器[3]
根据工艺要求，选用ABB ACS510-30变频器。
该变频器用于鼠笼式电动机的速度和转矩控制，模块化设计，具有体积小、安装简便、节能能源、控制准确、安全可靠等特点。
适用于水泵、风机类设备驱动。
保护特性：过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护等。
(2)变频器专用电抗器
由于我厂电动机距变频器有150米左右距离，为了改善电网质量，选用ABB变频器专用电抗器。
型号：NOCH 0070-6 REV U1。
(3) 进线开关
ACS510变频器本身不包括断路设备，因此，在交流输入电源和ACS510变频器之间，必须安装断路设备。
这里，选用ABB断路器，型号为：S2S-160/R63,3极。
(4)交流接触器
三相交流电经变频器转换输出后，相序、频率均发生很大的变化，即使不改变输出频率，其输出的相序也发生变化。
下表数据为变频器在50HZ工作状态下的实测值：
输入电源（市电）与输出电源（经变频后）同相压差
输入时的相序
A
B
C
输入电源与输出电源同极压差
328
328
328
可见，市电经过变频器的处理后，电的相位已发生位移。其同极构成了相位差，如并线，就会发生“短路”现象，损坏设备。
为防止反串电，在两控制系统的出线处均增设交流接触器作为电气联锁。
交流接触器型号：ABB A63。
(5) 排风扇
为了更好的为变频器散热，我们在变频器控制柜顶部加装了两台排风扇。
排风扇规格选用：6寸。
(6)电源开关
为了整个低压供电系统的安全，每一个回路出线均设一级电源开关作为供电设备的电源开关。
这里选用ABB断路器，型号为：S2S-160/R80,3极。

3.4 空冷器风机驱动系统变频改造的控制电路介绍
本次空冷器风机驱动系统考虑到工艺需要，其一、二次电气回路均作了相应更改。

图4 变频器控制柜主回路图[3]

说明：KM1和KM2为电气联锁交流继电器，避免反串电损坏元器件。

图5 变频器控制柜控制回路原理图[4]
变频器及电抗器工作时会产生大量的热量，故每台变频器控制柜顶部均安装2台排气扇。

3.5 变频器运行参数值设置的几点说明
（1）ABB变频器内置丰富的应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间，减少出错。
（2）电动机的启动数据设置一定要准确，变频器的所有运算均以启动数据为基础。
（3）电动机控制参数值中开关频率的设置尤为重要。
电动机噪音与开关频率大小有直接关系。当开关频率高时，可使输出波形非常逼近正弦波，这时电动机相对噪音就小。
但是，开关频率也不能设置太高。变频器自身的功率损耗与开关频率有关，且随着开关频率的提高、功率损耗增大，这样一则使效率下降，二则使功率模块发热增加，对变频器运行是不利的。

第4章 空冷器风机驱动系统变频改造节能效果分析
下面摘录了变频器投入运行前后电动机运行参数。
不同频率下电动机的运行参数
不同频率下电机运行参数
设备位号
频率
电流
转速
功率
E-0105M1
50
40.5
978
20.1
45
38.8
888
16.6
40
33.8
790
12.1
E-0105M2
50
38.7
976
19.3
45
36.5
889
15.6
40
31.7
791
11.1
E-0105M3
50
36.8
978
17.5
45
34.5
890
14
40
29.2
791
9.8
E-0106M1
50
41.3
975
20.7
45
36.1
888
16.3
40
31.6
790
11.8
35
28.4
712
9
E-0106M2
50
42
976
20.5
45
36.8
888
16.3
40
32.9
791
11.9
35
28.9
712
9
不同频率下电机输出功率图例示：

E-0105M1 E-0105M2 E-0105M3 E-0106M1 E-0106M6
从上表中数据可知：转速降低10%，电动机功率可降低20%；转速降低20%，电动机功率可降低40%左右；当转速降低30%时，电动机功率则降低了50%。
可见，通过调整电动机的转速，电动机的输出功率会随之有很大的变化。
从经济效益上分析，每年按设备运行8000小时（其中一半的时间运行在45HZ）、每度电费按0.6元计算，可节约电费支出：12万元。
本次空冷器风机驱动系统变频改造投资共计12.8万元。由上可知，一年左右就会收回投资成本。
除此之外，由于变频器的调控作用，每年可节约装置用蒸汽的数量虽无法定量计算，但是可以肯定此项费用比节约的电费支出大很多。
下面是海油总公司节能减排监测中心对**公司一厂变频器技改项目的鉴定评价：
********************************

第5章 空冷器风机变频改造待改进事项
由于空冷器风机增加变频器控制功能属改造项目，此方案必须保留原有的控制系统，故在方案的制定中，我们要结合生产工艺要求、现场设备安装与运行情况综合考虑。
有下列两点问题有待以后改进：
1、空冷器风机现场不能操控变频器
现场只有一个操作柱，两个系统不能共用，主要是从生产工艺的安全角度考虑，而不是从技术角度考虑。因为，空冷器在这套生产装置中起着关键作用，不容其出现任何故障停机。如果增加一个多级转换开关，虽能在两套控制系统之间任意转换，但相应也增加了系统出错点。
2、没有实现DCS控制（自动控制）
由于空冷器本体及进出口管线上没有安装温度传感器，故DCS不能监测空冷器温度，因而不能调控变频器。
以后，可在空冷器设备上安装温度传感器，温度实时数据通过DCS处理后向变频器发出指令，从而实现风机电动机的转速随冷却温度的变化而自动调节。

第6章 总结
变频器驱动普通三相异步电动机是可行的，目前技术非常成熟，运用广泛。
普通三相异步电动机是可以长期运行在低频（35Hz）以下（包括恒转矩负载）。一般风机也可以运行在低频（35Hz以下），但不可长期运行在50Hz以上，因为转速的提高，风叶将承受更大的力矩，超出其额定承载能力。
本次改造方案中，保留了原有的控制系统作为备用，提高了风机的运行可靠性。但在电路设计中，一、二次控制回路均采取安全技术措施，双重电气联锁，保证设备运行安全。
对于输出电缆较长时，需在变频器的输出端增加电抗器，这样可以改善供电质量，减小电动机绝缘老化及电缆线损。
风机属冷却设备，风量的大小决定了所冷却介质的温度。对于工艺变化较大的装置，风机的调速就有了可供操控的空间，这也为生产节能提供了空间。节能减排符合当前国家政策，变频器的使用应大力推广。

致谢
本论文是我在**公司一厂生产管理部任电气工程师时完成的一项技术改造项目。在这个项目实施的每个阶段，均得到了厂领导及各位同事的大力支持和帮助。在此特向他们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
此项目在实施过程中得了深圳市汇诚工业控制有限公司的大力协助，在此表示感谢。
本论文在完成过程中查阅了大量相关书籍、文献，在此向其作者表示谢意。

参考文献
[1] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社.
[2] 吴玉坤 流体力学及泵与风机实验指导书.
[3] ACS510变频器手册.北京ABB电气传动系统有限公司.
[4] 变频器控制.深圳市汇诚工业控制有限公司.
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