变频技术在冻结站盐水泵控制中的应2 修复的 修复的.docx
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变频技术在冻结站盐水泵控制中的应2修复的修复的
变频技术在冻结站盐水泵控制中的应用
摘要
交流变频调速是交流电动机调速方法中最理想的方案,采用变频器对盐水泵机械进行调速来调节流量的方法,对节约能源,提高经济效益具有重要意义。
但是,过去由于各种原因,如变频器的价格、质量、容量等因素的约束,没有得到广泛应用。
近年来随着IC产业的迅猛发展,变频器的价格大幅下降,可靠性增强,容量增大(已达到400KW),变频器的使用已成倍增长。
在文章中,我们研究了采用变频器对盐水泵进行调速所面临的问题,在文章中重点提到了冻结站盐水泵变频节能系统的组成及节能计算方法。
还提到了对于变频器的结构和选择等相关方面。
关键词:
冻结站,变频器,盐水泵,变频器,节能,闭环调速
FRRQUENCYCONVERSIONTECHNOLOGYINFREEZINGSTATIONSALTWATERPUMPCONTROLAPPLiCATION
ABSTRACT
Acfrequencyconversioncontrolmethodisacmotorthemostidealsolutionofsaltwaterpump,adoptinvertertoadjustflowspeedmachines,themethodofenergyconservation,toincreaseeconomicbenefitstohavetheimportantmeaning。
However,duetovariousreasons,suchaspastafrequencyconvertertotheprice,qualityandcapacityconstraints,nofactorssuchaswidely。
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentoftheICindustry,inverterpricesplunged,reliabilityenhanced,hasreached400KWvolumeincreasing(theuseof),frequencyconverteralreadyincreaseexponentially。
Inthearticle,westudiedusinginverterspeedofsaltwaterpumptotheproblemsfacedinthearticle,thekeytomentionstandingsaltwaterpumpfrequencyenergy-savingfrozenenergysystemcompositionandcalculationmethod。
Alsospokeaboutthestructureandchooseforconverterrelatedaspects。
KEYWORDS:
freezingstation,inverter,saltwaterpumps,frequencyconverter,energy-saving,closed-loopspeed
目录
1绪论1
1.1煤矿冻结法凿井简介2
1.2冻结施工存在的问题3
1.3国内交流变频技术的发展3
1.4国外交流变频调速技术发展的特点4
1.5研究背景及变频改造的意义5
2变频调速在水泵中的应用研究7
2.1变频调速在水泵中的主要调节方式7
2.2水泵变频调速和其他调节方法的节能对比7
2.2.1调节流量的方法7
2.2.2转速控制法节能的几个方面8
2.3变频调速原理10
2.3.1变频器的工作原理10
2.3.2变频器控制方式11
2.4水泵变频调速的特点12
2.6水泵变频调速系统设计13
3变频技术在冻结站盐水泵应用中的硬件分析和系统说明15
3.1泵的定义与分类15
3.1.1泵的定义15
3.1.2离心泵的分类15
3.1.3离心泵的命名方式15
3.1.4泵的性能参数和基本方程式16
3.1.5350S-75A水泵介绍16
3.2三相异步电动机16
3.2.1三相异步电动机的结构17
3.2.2旋转磁场的产生17
3.3.3三相异步电动机的转动原理18
3.3变频器19
3.3.1变频器的分类19
3.3.2变频器的结构框图20
3.3.3整流原理20
3.3.4逆变原理21
3.3.5脉宽调制(PWM)22
3.3.6变频器的参数23
3.3.7变频器的选型和硬件配置25
3.4可编程控制器(PLC)26
3.4.1可编程控制器的定义26
3.4.2可编程控制器的特点27
3.4.3可编程控制器的分类28
3.4.4可编程控制器基本结构28
3.4.5可编程控制器工作原理30
3.4.6S7-200系统概述30
3.5电磁流量计31
3.6冻结站变频技术在盐水泵应用的结构图32
3.6.1结构图说明32
3.6.2与工频切换的控制电路35
4系统软件介绍36
4.1闭环控制与PID控制36
4.1.1模拟量闭环控制系统的组成36
4.1.2变送器的选择36
4.1.3闭环控制反馈极性的确定37
4.2PID控制的原理和特点38
4.1.4PID控制器系数的调节39
4.1.5PID控制器参数整定39
4.3系统流程图40
总结43
参考文献44
致谢45
1绪论
得煤冻结法凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的,其工艺过程包括冻结站安装;钻孔施工;井筒冻结核井筒掘砌四大内容,其凿井是属高耗能技术,冻结过程中要耗费大量的电能及水资源,长期以来,由于人们在设计、操作中忽视了节能问题,仅仅在电能发面的浪费就相当严重。
调查发现,如果在设计、运行中采取有效的措施,平均可节电40%以上。
某些传统的设计方法、设计模型及设计参数不符合现场实际,是造成冻结站耗电严重的原因之一,所以冻结站的节能问题已成为当前不如忽视的大问题。
冻结法凿井是一种理论上和实践上都比较成熟的特殊施工方法。
世界主要产煤国家都把冻结法作为在身后冲积岩层和特大含水基岩中施工的一种安全、可靠、经济的方法加以推广。
冻结站三大循环系统中的水泵和压缩机的驱动设备都是三相异步电动机,对系统的控制实际上就是对电动机的控制。
但目前各冻结施工单位根据冻结需要调节盐水流量时,仅对阀门开度进行调节,水泵拖动电机仍处于恒转速运转状态。
另外,许多生产单位在进行系统设计时,容量选择较大,系统匹配不合理,造成了大量的能源浪费。
因此,搞好盐水泵的节能工作,对节能减排据有十分重要的意义。
随着电力电子技术和大规模集成电路发展,变频器原来越多的被用于生产和生活当中。
采用变频器直接控制风机、泵类负载成为了一种最科学的控制方法,利用变频器内置PID调节软件,直接调节电动机的转速保持恒定的风压、风量,从而满足系统要求的压力和风量。
当电机在额定转速的80%运行时,理论上其消耗的功率为额定功率的51。
2%,去除机械损耗、电机铜、铁损等影响,节能效率也接近40%,同时也可以实现闭环恒压控制,节能效率将进一步提高。
由于变频器可实现大的电动机的软停、软起,避免了启动时的电压冲击,减少电动机故障率,延长使用寿命,同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。
因此,大力推广变频调速节能技术,不仅是当前煤矿节能降耗的重要技术手段,而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。
变频调速在当代社会具有重要的意义,主要体现在以下几点,
(1)它采用变频器控制电动机的转速,取消挡板调节,降低了设备的故障率,有显著的节能效果。
(2)实现了电机的软启动,延长了设备的使用寿命,避免了对电网的冲击。
(3)电机将在低于额定转速的状态下运行,减少了噪声对环境的影响;(4)具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能及声光报警功能;
1.1煤矿冻结法凿井简介
冻结法是深厚冲积层中矿井建设的主要施工方法,它是在开凿井筒前,利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,将井筒冻结成封闭的圆筒形冻结壁,以抵抗地压并隔绝地下水与井筒的联系,在冻结壁的保护下进行掘砌作业的施工方法。
其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。
1883年德国工程师F.H.Poetsch在德国阿尔巴里矿,用冻结法开凿了深度为103m的井筒,获得了冻结法凿井的专利,之后该项技术传播到世界上许多国家。
1955年,我国用冻结法开凿了开滦林西风井,井筒净直径5m冻结深度105m,此后我国科技人员开始了冻结法凿井技术的研究。
近50年,取得了丰硕的研究成果,总共建了430余项冻结工程,包括20世纪80年代最大冻深415m的淮南潘三东风井和90年代最大冻深435m的河南永夏矿区陈四楼副井。
目前冻结法凿井所通过的最厚表土层为山东济西矿副井为458.5m,冻结深度488m我国冻结法凿井技术已跨人世界先进行列。
国外在煤矿中冻结深度最深的是波兰的卢布林l号井副井,成井6.0m,冻结深度725m。
冻结不稳定的第三系和第四系地层,具有代表性的是德国的SophiaJacba8号井,冻结深度558m。
冻结基岩与砂层、粘土互层,具有代表性的是前苏联的雅科夫铁矿2号井,冻结深度620m;英国的博尔比钾盐矿,地层冻结深度达930m。
近十几年来,我国冻结凿井技术发展很快,打钻、冻结、掘砌设备和施工过程检测控制技术有较大的发展,基础理论也得到了不断的提高和完善,基本上解决了500m深以内的冲积层凿井问题。
冻结法的施工顺序是在井筒周围钻若干冻结孔,孔内安装由供液管、回液管和底端封闭的冻结管组成的冻结器;地面冷冻站将制出的低温媒剂循环输送到冻结器内,吸收地层的热量,使含水层形成以冻结管为中心的冻结圆柱,逐渐扩大与相邻的冻结圆柱连成封闭的冻结壁。
冻结壁达设计厚度后,即可进行井筒掘砌作业,直到顺利穿过不稳定地层为止。
从冻结开始到冻结壁达到设计厚度的时间,称积极冻结期。
掘砌时期须部分供冷,维护冻结壁,称为维护冻结期或消极冻结期。
掘砌工作完成后,拆除冷冻站,拔出冻结管,充填冻结孔,冻结壁自然解冻,恢复地层初始状态。
冻结法建井施工系统由氨循环系统、盐水循环系统、清水循环系统三大系统组成。
氨循环系统流程:
气态氨经低压螺杆压缩机压缩到O.4Ⅷ一冷却器降温(防止进入高压螺杆压缩机时温度过高)一高压螺杆压缩机继续增压一冷凝器(气态氨变成液态氨)一热虹吸储液器一低压调节站一汽化器(液态氨变成气态氨吸收热量使盐水降温)一气态氨被吸回低压螺杆机(完成~个循环)。
盐水循环系统流程:
盐水在盐水池中经过(液态氨变成气态氨吸收热量使盐水降温)降温,通过离心泵送入盐水管路,进入地沟槽的盐水分配器。
分配给各个分盐水管路。
循环上来以后进入盐水集中器,经盐水回路回到盐水池,再通过(液态氨变成气态氨吸收热量使盐水降温)完成一个循环。
低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时,吸收其周围岩层的热量,使周围岩层冻结,逐渐扩展连成封闭的冻结圆筒(冻结壁)。
随着盐水循环的进行,冻结壁厚度逐渐增大,直到达到设计厚度和强度为止(积极冻结),然后进行井筒的开挖和衬砌。
在掘砌期间进行维护冻结(消极冻结),直至井筒永久结构完成停止冻结。
清水循环系统的主要作用是:
为高冷供应清水,冲洗管路,水循环降。
1.2冻结施工存在的问题
一方面由于冻结施工工程中对盐水流量的控制通常根据以往的施工经验和测温孔、冻结器的温度数据进行控制的,温度场数据与盐水流量的控制并没有很好的进行结合,使的温度数据分析的结果不能完全反映实际冻结壁的情况,而且每隔一段时间分析的数据结果对流量、温度的控制并没有起到很大的作用,数据的利用率很低,没有实现温度场分析与流量、温度控制相结合的真正意义上的数字化施工。
另一方面冻结制冷系统一旦启动就要运行到井筒永久结构完成才能停止,盐水循环系统的正常运行直接影响到整个冻结工程的质量。
目前的盐水循环系统都是采用三相异步电动机拖动离心式水泵带动整个管路中的盐水进行循环。
通常,现场所选离心泵的流量、扬程可能会和管路中要求的不一致,由于泵选型时留有裕量,甚至泵的额定参数超过工艺参数的一倍以上。
而实际工艺操作常有变动,即要根据情况调节盐水管路中的盐水流量,调节过的泵的实际操作参数偏离其额定参数时,泵的工作效率将大大降低,而目前各个冻结站调节流量的减小往往都是通过关小泵出口阀来实现,这样阀门处阻力加大,水力损失也随之增大,不但缩短了泵的有效寿命也必然降低泵的总效率,由此而引起的电能损失也是相当可观的。
1.3国内交流变频技术的发展
变频技术方面,目前国内只有少数科研单位有能力制造,但在数字化和系统可靠性等方面仍与国外水平有不小的差距.这种电机在抽水蓄能电站机、大容量风机、压缩机、轧机传动、矿井卷扬方面都有很大的应用价值,且需求量很大。
中小型功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制,只有少量的样机采用矢量控制,生产数量及技术性能方面远不能满足市场需要,目前还需要大量的进口设备。
总结电气传动控制系统关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态,来实现电能和机械能的转换,以达到优质、高产、低耗等目的.电气传动分成不可调速和可调速两大类,可调速方式又可细分为直流调速和交流调速两种方式。
不可调速的电动机直接由电网供电,但随着电力电子技术的发展,这类原本不可调速的机械越来越多地由可调速的传动装置来代替,以节约电能,降低能耗.在我国大约60%的发电量都是由电动机消耗的,因此发展可调速的电气传动技术,提高其生产应用平是非常重要的,目前在该方面的技术已经有了一定的规模。
从总体上看我国的电气传动技术水平较国际先进水平相差l0~15年.在我国,电气传动产业始建于1954年,当时在机械工业部门的部属下建立了我国第一个电气传动公司,第一批相关专业的毕业生参与其中,这就是后来的天津电气传动设计研究所。
到现在,我国已有200多家公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
我国还是一个发展中国家,现在处于并将长期处于社会主义初级阶段,这种社会特性决定了很多方面的科研开发能力仍落后于发达国家。
目前自主研发生产的变频调速产品只相当于一些西方国家80年代的水平。
改革开放以来,很多国内的企业与许多外国公司进行贸易往来,进口一些最先进的产品来满足了我国的生产和生活需要.目前,国内许多合资公司结合当前先进技术生产当今国际上先进的产品,并自己开发应用软件,为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统.取得了很大的进步对于大功率交流无换向器电机的起来,目前国内交流变频调速技术的发展状况主要表现为:
(1)整机技术落后,没有形成一定的生产规模;
(2)产销量很少,且产品的可靠性和工艺水平都不高;(3)相关配套产业落后,特别是变频器产品所用的半导体功率器件的制造业还几乎处于空白阶段.
1.4国外交流变频调速技术发展的特点
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:
(1)市场需求量大。
随着全球性的能源短缺和工业自动化程度的不断提高,变频器及变频调速技术的应用越来越广泛,主要应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业。
另外,在与风机、水泵相关的节能系统中,也被广泛的应用。
均取得显著的经济效益.
(2)大功率变频器件得到迅猛的发展.近年来,随着高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产和并联、串联技术的发展应用,使大功率变频器产品的生产及应用成为现实,并得到广泛应用。
(3)矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论的发展为变频器的高性能发展提供了很好的理论基础:
同时,16位、32位高速微处理器、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)水泵调速的意义:
在工矿、城市供水系统中,为保证用户的正常用水,常采用母管恒定压的供水运行方式。
工矿供水工况随工艺要求而变化,城市供水随着昼夜及季节的变化、供水量的变化而变化,为了保证母管压力稳定,满足供水需要,常采用开停水泵或调节泵出口阀门开度的控制方法。
但是,该方法既劳动强度大又浪费电能。
如把所有节流情况下运行的水泵改为调速调节流量运行,则能产生显著的节能效益。
1.5研究背景及变频改造的意义
目前,在电力改革不断深化、大力提倡建立节约型社会的政策环境下,应用高新技术节能降耗,降低厂用电率和发电成本,成为各电厂的当务之急。
火电厂的各种动力设备中,泵与风机类负载的耗能占绝大部分。
电厂调峰时,传统调节方式通过改变调节阀和挡板的开度来调整通过泵与风机的工质流量。
而泵与风机的输出功率几乎不变,加之设计富余量较大,浪费了大量电能,同时使设备运行效率不高。
若采用高压变频调速则可保持调节阀与挡板全开,通过降低泵与风机的转速来减小流量,从而减小了节流损失,节约了大量电能。
此外,高压变频调速还具有系统效率高、功率因数高、调节品质好、能实现电动机软启动等诸多突出优点。
因此对老电厂进行变频改造或在新建电厂应用变频调速技术是提高机组经济性和安全性的重要措施¨以前由于高压变频技术并不十分成熟,再加上价格昂贵等因素,使变频调速技术在火电厂高电压大功率交流传动中的推广应用较少。
近年来,随着电力电子技术和微电子控制技术的飞速发展,高压变频技术日趋成熟,可靠性和性价比得到大幅提高。
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:
(1)市场的大量需求。
随着工业自动化程度不断提高和能源全球性短缺,变频器越来越广地应用在机械、纺织、化工造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合,并取得显著的经济效益。
(2)功率器件的发展。
近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等大伯的生产以及并联、串联技术的发展应用,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
(3)控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展,为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。
(4)基础工业和各种制造业的高速发展,变频器相关配套件社会化、专业化生产。
我国电气传动产业始于1954年。
当时,在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司,即现在的天津电气传动设计研究所的前身。
现在,我国有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
随着改革开放,经济高速发展,形成了一个巨大的市场,它既对国内企业,也对外国公司敞开。
很多最先进的产品从发达国家进口,在我国运行良好,满足了我国生产和生活需要。
国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品,国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备,自己开发应用软件,能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统,在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。
国内的交流变频调速技术产业状况大致表现如下:
(1)变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力,但由于力量分散,并没有形成一定的技术和生产规模。
(2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业薄弱。
(3)相关配套产业及行业较为落后。
(4)产销量较少,可靠性及工艺水平不高。
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。
前者要解决电子器件的应用技术问题,后者要解决硬软件开发问题,其发展方向主要有以下几项:
(1)实现高水平的控制。
基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略,有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器,在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术。
(2)开发清洁电能的变流器。
所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1,网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量,以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。
对中小容量变流器,提高开关频率的PwM控制是有效的。
对大容量变流器,在常规的开关频率下,可改变电路结构和控制方式,实现清洁电能的变换。
(3)缩小装置的尺寸。
紧凑型变流器要求功率和控制无件具有高的集成度,其中包括智能的开关电源,以及采用新型电工材料制造的小体积变压器(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。
(4)高速度的数字控制。
以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法,windows操作系统的收入使得可自由设计,图形编程的控制技术也有很大的发展。
(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。
电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
今后主要研究的开发项目主要有以下几项:
(1)数字控制的大功率交一交变频器供电的传动设备。
(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。
(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能,改善性能。
如4象限运行,带有电机参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。
(5)风机和泵用高压电动机的节能调速研究。
众所周知,风机和泵改用调速传动后可节约大量电力。
特别是电压电动机,容量大,节能效果更显著。
研究经济合理的高压电动机调速方法是当今重大课题机和泵上的推广应用。
2变频调速在水泵中的应用研究
2.1变频调速在水泵中的主要调节方式
据统计,全国泵类配套电动机的耗电量相当于全国电力消耗总量的1/5。
但是水泵的运行效率很低,有的甚至仅有30%,能量浪费十分严重。
因此,泵行业中采用有效的节能技术是当务之急。
水泵的节能主要有以下几个方法:
通过改进配套电机的设计,使电机在大的范围内有较高的效率;通过对水泵的结构设计和制造性能的改进,提高水泵的性能;水泵、配套电机的正确选型和合理使用。
节能调节的方法有:
非变调节和变速调节,非变速调节包括节流调节和水泵的运行台数调节等。
大量的统计调查表明,一些在运行中需要改变工况而要求进行调节的水泵,其能量浪费的主要原因,通常是由于采用了不合适的调节方式。
可见,水泵的调节方式与节能的关系非常密切。
通过分析水泵运行工况改变时的节能原理和两种节能调节的方法产生的效果,借鉴国外先进技术并总结常见调速方法,探讨了泵变频调速节能方法。
实践证明,变频调速节能方法节能效益可观,是有效的减少能量消耗的方法。
2.2水泵变频调速和其他调节方法的节能对比
2.2.1调节流量的方法
在冻结盐水循环系统中,控制对象是盐水流量。
因此,要讨论盐水泵的节能问题,必须从调节流量的方法人手。
常见的调节流量方法有阀门控制法和转速控制法两种。
(1)阀门控制法
即通过关小或开大阀门来调节流量,而电动机转速保持不变(通常为额定转速)。
阀门控制法的实质是:
水泵本身的供水能力不变,通过改变水路中的阻力大小来改变供水能力(反映为供水流量),以适应用户对流量的需求。
这时,管阻特性将随阀门开度的改变而改变,但扬程特性不变。
图l为不同调节流量方法的特性曲线。
设用户所需的流量从
减小为
。
,当通过关小阀门来实现时,管阻特性将变为曲线③,而扬程特性则仍为曲线①,系统工作点由A点移至B点。
这时,流量减小了,但扬程却从
增大为
。
根据供水功率
与流量Q和扬程H的乘积成正比的关系,即
(
为比例常数),可知此时供水功率
与面积OE
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