2000kW风机串级调速改造方案.pdf

电气技术与 自动化 徐 宇罡 ， 2 0 0 0 k W 风机 串级调速改造方案 2 0 0 0 k W 风机串级调速改造方案 徐宇罡 南京师范大 学欧姆 自动化 系统有 限公 司 。 江苏 南京 2 1 0 0 4 2 ’ 摘要 介绍 了公司为邯钢厂炼钢用 2 o o O l 风机 串级调速改造 的方案， 通过 比较选定改造方 案。投入运行结果表 明效果 良好 ， 实现风机 的风量调节， 延长 了设备寿命 ， 同时成 为企 业节能 降耗 的重要技术手段。 关键词 风机； 串级调速 ； 有源逆变器； P L C 中图分类号 TM3 2 ； T M9 2 1 ． 5 文献标识码 B文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 0 3 0 6 0 1 1 0 0 4 The Pl a n o f Ca s c a d e S p e e d Go v e r n i n g f o r I mp r o v e 2 O O Ol W Bl o we r Fan XU Yu ga n g Ou mv A u t o ma t i c S y s t e m C o ． 。 L t d 。 Na n j i n g No r ma l Un i v e r s i t y 。 j s Na n j i n g 2 1 0 0 4 2 。 C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e p l a n o f c a s a d e s p e e d c o n t r o l t o i mp r o v e 2 o o 0 k W b l o we r f a n o f s t e e l me l t i n g． Th e s y s t e m h a s e f f e c t o n p r o l o n g i n g l i f e o f t h e e q u i p me n t an d e n e r g y s a v i n g． Ke y wo r d s b l o we r f a n； c a s c a d e s p e e d g o v e r n i n g； a c t i v e i n v e r t e r ； P L C ． 1 技术改造的设备情况 电机容量 2 0 0 0 k W； 电机定子电压 6 k V； 负载 风机 平 方转矩负载 ； 控制要求 根据生产要求调节风量 ； 调节方式 风门 挡风板开度 调节。 2 改造的必要性 及可行性 挡风板开度调节风量是最简单原始 的方法 ， 这 种方法存在能量浪费 、 噪音 大及调节不便等缺点 。 此外 ， 由于电动机总是运转在标定 速度 ， 对 电机 、 风 机的机械磨损较大。如 果能改变风机 的转速来适 应生产对风量的要求 ， 则可以克服上述缺点。 由于 风量 Q 与转速 的一次方成正比， Q 。 C ； 风压 H 与转速 的二次方成正 比， H 。 C ； 风 机 、 泵类负载的输出功率 与转 速 的三 次方成 正 比 ， P s a C 。 因此 ， 降低风机转速的节 电潜力很大 。一般调 速范 围在 7 0 ％ ～1 0 0 ％。 如转 速 降至 7 0 ％标 定转 速 ， 理论耗 电只有标 定转速下 的 3 5 ％。实践经验 表明 ， 对一般工业风机采用节能型方式调 速 。 平均 节电可达 2 0 ％--4 0 ％， 这对 2 0 0 0 k W 的风机来讲 ， 效益将 十分明显。此外 ， 调速后运行噪音将大幅度 收稿 日期 2 0 0 3 0 8 2 2 I 1 0 减小 ， 机械磨损也将大大减少 ， 有利于延长设备寿 命。增加电气调速设备不需要对原电机、 风机的安 装作 变动， 只是在电源和电机之 间连接 。因此 ， 改 造 的工作量小 ， 周期短 ， 方便可行 。 3 方案比较 风机调速运行的优点已被人们所认同， 但调速 方式及设备的选择往往决定着能否达到预期的效 果 ， 运行是否可靠， 使用操作及维护是否简单。就 调速方式而言， 有变频、 串级及液力耦合器三种方 式较适用于高压较大容量电机。以下就这三种方 式 的性能及价格作一比较分析。 3 ． 1 变频调 速 这种方式性能最好 ， 调速范 围宽 可达 1 1 0 ， 能平 滑无 级 调速 ， 属 节能 型 调速 方式 ， 节 电率在 3 5 ％左右 ， 其缺点是体积大 ， 价格贵 ， 2 0 0 0 l 容量 的价格约在 5 0 0万元 。 3 ． 2 串级调 速 此方式是将电机转子回路的多余滑差能量经 过有源逆变后反 回电网达到节能 目的 ， 也称为转子 变频调速。也能平滑无级调速， 属高效节能型调速 方式 ， 效率在 9 5 ％以上 ， 节电率在 3 0 ％左右 ， 设备 容量 比电机容量小得 多 ， 约为 三分 之一 ， 因此体积 小， 对2 0 0 0 k w风机价 格 约在7 0 万元 ／ 套 ， 其 成套 h t t p ． c h in a jo u r m1 ． n e t ． c n E- ma i l Z Z l - K c h in a i o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化 维普资讯 电气技术与自动化 徐宇罡 ， 2 O k W 风机 串级调速改造方案 范围除高压及电机转子侧的电缆外已全部包含在 内了。 3 ． 3 液力耦合器 这种装置是加装在 电机和风机之间 的机械装 置， 靠工作腔内充油量的多少传递不同的转矩， 达 到调速 目的， 也能平滑调速 ， 但不能节能 ， 电机转差 功率消耗在耦合介质油上， 使油发热， 因此一般要 装散热器。冬季冷态启 动困难 ， 有时要加热。其价 格比串调要低一些 。 综上所述 ， 建议不采用液力耦合器调速 。至于 变频和串级调速 ， 在恒力矩和宽调速范围的负载选 用变频较合 适 ， 对调 速范 围不宽 的平方转 矩负 载 泵、 风机类 选用串调较合适。变频装置由于装置 容量大 ， 又是全套进 口， 价格高 ； 串调则 因容量小 ， 只有重要部件是进 口件 ， 故价格低得多。从操作使 用性能上看 ， 串调和变频 已几乎 没有 差异 ， 其谐 波 比变频 小 。因此 ， 我们 选用 串级调 速作 为优选方 案。 4串级调速方案 串级 调速技术 是交 流电机调 速中发展较早成 熟较晚的技术。发展早 是因为这种技术在理论上 成熟早 ， 在实践上早期 的机械式 ， 后来 的电气式都 是成熟的， 但体积大， 效率低。自从晶闸管元件于 2 0世纪六七 十年代发 展起来 以后 ， 晶闸管 串级 调 速技术于 8 0年代进入 了一个新 的阶段 ， 但 由于控 制技术的落后 国外 已成熟 ， 只是 国内限于器件及 技术能力未能更新 ， 使串级调速在推广中受到很 大限制 。 自9 0年代初 ， 采用单 片计算 机为核心的 有源逆变控制技术 已趋 于成熟 ， 操作控制 的 自动化 程度大为提高， 数字化显示、 操作 、 信号处理等， 为 人机对话和系统联接提供 了很大方便 。同时由于 采用 了 P L C作为逻辑信号处 理 的中心单元 ， 结构 紧凑 。保护功能完善有效 ， 可靠性高 ， 维护也十分 方便 。 4 ． 1 串级调 速 的原 理 串级调 速是在绕线式 电机转 子回路 中串入直 流反电势 ， 调节直 流反 电势大 小可改 变滑差 率 S 的大小 ， 进而改变电动机 的速度 。 晶闸管 串级调 速 装置的直流反电势是 由三相桥式逆变器产生 ， 通过 控制逆变器的超前控制 角 口的大小 ， 则可改变电势 的大小 ， 即改变滑差率 S的大小 。从 而电动机 的 速度使可平滑调节。在 调速的过程 中有源逆变器 将滑差能量返 回电网。达到可观的节能效果。 Ma c h i n eBu i l d i n g Au t o ma t on， De c 2 0 0 3, 6 1 1 0 - 1 1 3 a 转速与控制角的关系 图 1 。 滑差率 S k 。 0 s 卢； 转速 n e 1一S。 其中 志 U2 i ／ U2 ； U2 i 逆变变压器阀侧 电压 ； 乙 r 2 电机转子开路线 电压。 图 1 转速与 控制角关 系 b 晶闸管 串级调速装置效率 图 2 晶闸管串级调速装置本身效率高， 可达 9 7 ％， 和电动机配合起来整套的效率约为 9 0 ％～9 3 ％。 效率／％ l 0 0 8 O 6 0 4 0 2 0 图 2 效 率与转速关 系 4 ． 2 晶闸管串级调速方案 4 ． 2 ． 1 参数 a 电机 2 0 0 0 k W， 6 k V； b 调速范 围 7 0 ％～1 0 0 ％ n e 。 4 ． 2 ． 2方案 a 主电路采用双桥 1 2脉波电路 ； b 控制触 发系统采用全数字化 电路 ， 高性能 微 电脑智能控制 ； C 操作回路采用 P L C智能化逻辑控制 ； d 起动采用液体变阻器 ， 启动平稳无冲击。 P L C输入 和输 出回路 如 图 3所示 ； 双 桥 串联 1 2脉波电路如 图 4所示 。 4 ． 2 ． 3装置组成 整套装置主要由控制柜 、 整流柜 、 逆变柜 、 逆变 开关柜、 转子开关柜、 启动开关柜、 液体变阻器、 平 波电抗器 柜 内 、 逆变变压器组成 。 4 ． 2 ． 4串级调速装置性能特点 a 主回路采用 1 2脉波 电路 ， 减少谐波 ， 提高 1 1 1 维普资讯 电气技术与 自动化 徐 宇罡 ， 2 0 0 0 k w 风机 串级调速改造方案 A2 A厂 l[- - d TM 1 ． 拷 ．南 滔 坞 D 9 ’ 。A1 一l L 风机运行指示 4 Z J／ I l D 8 A N l N N 二级频敏控 制 预留未装 K J 6／ 1 2 2 J P Z n 输 入公共墙 触 发电源／K J 8 Xl 0 电机起动 AN1 - 1 起轴 ／I Z K XI 】 电机停止尹AN2 1 Xo 0 全速运行 AN5 1 XO1 进 变 ／2 Z K Xl 2 调速运行 AN6 1 XO 2 调速 ／3 Z K Xl 3 逆变开关合闸 AN3 1 XO 3 全速 ／4 Z K Xl 4 X0 4 Xl 5 X 1 6 逆变开关分闸 AN4 1 XO 5 逆 变高压- 关／ I X1 7 XO 6 X07 5 X 1 6 X 1 7 X3 0 X3l 2 RJ KJ 1 l RJ 2X3 2 X3 3 X34 X35 X3 6 X3 7 X2 0 X2 1 X2 2 X2 3 2 4 X2 西 N l CoM l CoM 3 n● ，Jl 0 L C O M 6 YO 0 n1 ZJ Yl 0 KJ l n u Y3 O Y 0 1 4 Z n兰 L Y I I Y 3 l U n K J 2 Y0 3 u DL ● ，J3 n u Y3 2 Yl 3 Y3 3 COM 2 CoM4 Y3 4 Y0 4 FM Y1 4 n KJ 4 Y0 5 ， 。 、D5 Yl 5 n t - J Y35 Y3 6 Y0 6 Y1 6 Y3 7 、 o， n D8 2 ZXH KJ 2／ l ZK _ 4 ZK 4 ZJ 3 ZXH l J 3 ／ CoM5 4 ZXH KJ 4 ／ Y2 0 r -- l KJ 6 Y 2l IZ K U r-1 K J0 1 ，z x Z K o 曷 Y 2 2 2 Z K I C1 02n u Y2 3 3 Z K u广_ l K J 0 3 ⋯‘ 1 Z J ／ 2 ZX ／2 Z KD 、 6， I 1 3 2 J Y2 4 4 Z K l J 04n u 5 0 2 l Z J U Y 2 5 L _ J n I C 1 0 5 5 0 3 U 、 Y2 6 5 O 4 3 Z X ／3 Z K D 调速运行 5 05 、 凸， Y2 7 l ZKF I C 1 0l ／ R ZJ ／ 4 z x ／4 Z K D 曷 全 速 运 打 50 6 lZ K _4 Z K 50 7 2 Z K F IO 0 2 ／ 3 ZKF K1 0 3／ 4 Z K F K J 0 4 5 0 8 ＼] 5 O9 5 l 0 图 3 P L C输入、 输出回路 了功率 因数 ； b 微 电脑控制 、 数字化调 节 、 数码 显示 ， 操 作 方便 ； C 程控数字触发 ， 使超前控制角 卢自动限位 ， 完全无需人工调整 ， 保证有源逆变器可靠工作 ； d P L C智能化逻辑控制 ， 保护功能完善 ， 有效 避免操作不当引起的问题 ， 故障时可自动转全速运 行。 11 2 5 结论 2 0 0 0 k W 风机 串级调速技 术 改造实 现 了风 机 的风量的调节 ， 调速后运行 噪音大幅度减小 ， 机 械 磨损也将大大减少 ， 延长设备寿命 。改造的工作量 小 ， 周期短 ， 投入运行结果表明效果 良好 ， 以其可靠 性而深受用户 的好评 d h t t p ／ ／ Z Z H D． e h i n a j o u ma 1 ． n e t ． ∞E ma i l Z Z I- H 3 c h i n a ／ o u ma 1 ． n e t ． c n 机 城． I 遣与 自动化 维普资讯 电气技术与自动化 徐宇罡， 2 0 0 0 k W 风机 串级调速改造方案 一 i k l I I I r v ]l ⋯⋯ 二 ／ 强 A 开 步 电 抗 暑 一 ln ／ ， 、 电 动 机／ 、 ／ L ／w w 1 9 锻变 、 x． ＼ i A O l f [ KRI[ [ ]啪 [ ]IGR7[ [ 4zK zPl P2 】RDI3 I 全 速 开 关 l 8 7 ZA0／ ZAI ＼ 2 ∞ ／ Z BI l 5 l 6 NBl ＼ Z X Z I NCl 3 ZK Z P ．4 ■2 ‘ 】 I ] 5 1 R D 7 RD 8 R D 9 lZ X 调 速 开 关 r J 『 ； i 起 动 开 关 ＼ 、 ＼ R阱 】 [ ] 啪[ [ IG R 6 [ t t I2 R D 5 1 】 I RD6 口 l l y K A _一 [ k-3 [ k- ] K R -s Z R D 。 【 1 ． L Z C 3 l 5 N U I ／ NU0 Nv ／ Nv 0 NW I ／Nw 0 K P l 0 ff L I I l l I 】 R D 7 R D 8 R D 9 J f 鳐 lj 8 图 4 双桥 串联 1 2脉 波电路 上接第 1 0 9 页 具体的实现方法为 将表示内侧面 的原裁剪曲面经编辑或重构为规则 的直纹面， 通过 选择多轴侧刃铣方法 ， 指定该直纹面为加工面， 汽 道型面为刀尖控制面， 并设定旋转轴为 y轴来生 成一四轴加工刀具轨迹 ， 如图 6所示 。 图 6 四轴 程方法生成的刀具轨迹 由多轴刀具轨迹生成斜主轴加工程序的关键 是后置处理。由于斜主轴加工程序中刀位点坐标 与生成的多轴刀具轨迹中的刀位点数据是一致 的， 如果能去除刀轴矢量对刀位点坐标计算的影响， 并 屏蔽旋转坐标的输出， 就能实现上述 目的。直接采 用通用的三轴后置处理 ， 将可能会出现超出变量范 围的错误。因此， 通过使用 Ma s t e r C A M 的 N C编 程功能并结合对通用四轴后置处理文件 MP F A N． P S T的定制 ， 成功地实现 了上述 目的， 并正用于多 种规格 的导叶片加工 。 4 结束语 在多轴加工还未获得普及的今天 ， 通过在汽轮 机三维叶片型面的数控加工 中采用斜 主轴加工及 相应 的编程方法研究 ， 能够进一步提高三轴数控加 工的效率并扩展其加工范围。此类方法所提出的 一 些思路 ， 同样也适用于其他一些通常需要采用多 轴加工才能完成的复杂曲面零件的加工。 参考文献 [ 1 ] 章泳健 ， 潘毅， 孟涛 ． 汽轮机叶片数控加工中C A D技术的 应用[ J ] ． 机械设计与制造工程 ， 2 0 0 0 ， 4 ． [ 2 ] 章泳健 ． 小型企业 C A M 应用的特点与使用体会[ J ] ． 计算机 辅助设计 与制造 ， 2 0 0 0 ， 1 1 ． 【 3 ] U n ig r a p h i c s S o l u t i o n s I n e ． UG多轴铣制造过程培惨教程【 M] ． 北京 清 华大学出版社 ． 2 0 0 2 ． 1 1 3 维普资讯