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1、西门子 CPU222 在风机变频调速中的应用1. 引言风机在国民经济生产中，数量很多，其耗电量巨大。目前我国在风机节能方面还有巨大的潜力。在纸厂锅炉中，锅炉蒸发量为 15 吨/时，风机主要有鼓风机，引风机装机容量为 30KW 和 75KW 两种，其风量的调节全靠挡板，大量的风能浪费在挡板上，对电能的浪费巨大，而且自动化水平很低，操作工人对这些设备的检修工作量也很大，若用一种调节风机转速的方法来调节风量起不是一举两得，既提高了自动化水平减少挡板设备的维修费用，又节约电能。2. 风机变频调速的改造2.1 系统配置：西门子 S7-200 CPU222 控制模块一个，CPU222 运算功能强大，性能好
2、，可靠性高。本机数字量输入 14 点，数字量输出 10 点。最大可扩展 I/O 模块 2 个，最大可扩展智能模块 2 个，内置 8 路 PID 回路，1 个 RS-485 通信接口，为以后远程监控做好准备。A/D、D/A 转换模块各一个。EM 231 模拟量输入模块，具有4 个模拟量输入通道，12 位 A/D 转换器，转换时间小于 250s，数据字格式可单极性也可双极性，单极性 032000，双极性-32000+32000。EM 232 模拟量输出模块，其模拟量输出点数为 2 点，数据字格式与 EM 231 模块类似。另外压力变送器一只，负压表一只，变频器两台其中 30KW 一台用于鼓风机，7
3、5KW 一台用于引风机。2.2 工作原理：锅炉内蒸汽压力的大小，主要靠 30KW 鼓风机决定，锅炉内的负压维持，主要靠 75KW 引风机决定。当锅炉内蒸汽压力增大时，压力变送器把检测到的信号经过 A/D 转换模块中的一个模拟量输入通道输入到 PLC，PLC 经过 PID 回路调节、上下限比较等内部处理运算，运算后所得结果传送给 D/A 转换模块中的一个模拟量输出通道输入到 30KW 变频器，30KW 变频器降低鼓风机的转速，因此减小了锅炉内蒸汽的压力，同时由于鼓风机转速的降低，锅炉内的负压也随之增大，负压表把检测到的信号经过 A/D 转换模块中的另一个模拟量输入通道输入到PLC，PLC 经过
4、PID 回路调节、上下限比较等内部处理运算，运算后所得结果传送给 D/A 转换模块中的另一个模拟量输出通道输入到 75KW 变频器，75KW 变频器降低引风机的转速，因此减小了锅炉内的负压压力。反之亦然。如下图所示。这里需要注意的是：第一点，KM1 与 KM2 不能同时吸合，KM3 与 KM4 不能同时吸合，其解决方法在机械上可以采用钥匙转换开关，电气上可以采用接触器常闭触点互锁，PLC内部编程采用延时一秒输出等等，如下图所示。PLC 接线图PLC 内部编程梯形图（局部）第二点，PID 回路控制必须有一个无扰动切换信号，上图 PLC 接线图中I0.0，I0.1 作为 PID 回路控制无扰动切换
5、输入信号。关于 PID 回路控制将在下一篇文章PID 回路控制的原理与调试中详细介绍。3. 结束语整套系统运行良好，鼓风引风协调工作，大大提高了工厂自动化水平，既满足了生产要求，又节约电能。变频器在污水处理设备上的应用水是经济发展和社会可持续发展的一个重要因素。随着城市规模的不断扩大和人口的增加，水环境污染成了一大难题。城市污水是目前江河湖泊水域污染的重要原因，是制约许多城市可持续发展的主要原因之一。“环境保护”是我国的基本国策，中国可持续发展的战略与对策制定的 2000 年治理目标，要求城市污水集中处理率达 20%。目前，我国正处于城市污水处理事业的大发展时期，尤其随着国家西部大开发战略的实
6、施，中国中西部环境与生态保护已被提上首要议事日程。城市生活污水处理自 200 年前工业革命以来，越来越受到人们的重视。城市污水处理率已成为一个地区文明与否的一个重要标志。近 200 年来，城市污水处理已从原始的自然处理、简单的一级处理发展到利用各种先进技术、深度处理污水，并回用。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到A/O、A2/O、AB、SBR（包括 CCAS 工艺）等多种工艺，以达到不同的出水要求。我国城市污水处理相对于国外发达国家、起步较晚，目前城市污水处理率只有6.7%。在我们大力引起国外先进技术、设备和经验的同时，必须结合我国发展，尤其是当地实际情况，探索适合我国实际的城市污水
7、处理系统。结合我国实际情况，参考国外先进技术和经验，建设城市污水处理厂应符合以下几个发展方向：（1）总投资省。我国是一个发展中国家，经济发展所需资金非常庞大，因此严格控制总投资对国民经济大有益处。 （2）运行费用低。运行费用是污水处理厂能否正常运行的重要因素，是评判一套工艺优劣的主要指标之一。 （3）占地省。我国人口众多，人均土地资源极其紧缺。土地资源是我国许多城市发展和规划的一个重要因素。 （4）脱氮除磷效果。随着我国大面积水体环境的富营养化，污水的脱氮除磷已经成为一个迫切的问题。我国最新实施的国家污水综合排放标准（GB8978-1996）也明确规定了适用于所有排污单位，非常严格地规定了磷酸
8、盐排放标准和氨氮排放标准。这就意味着今后绝大多数城市污水处理厂都要考虑脱氮除磷的问题。 （5）现代先进技术与环保工程的有机结合。现代先进技术，尤其是计算机技术和自控系统设备的出现和完善，为环保工程的发展提供了有力的支持。目前，国外发达国家的污水处理厂大都采用先进的计算机管理和自控系统，保证了污水处理厂的正常运行和稳定的合格出水，而我国在这方面还比较落后。计算机控制和管理也必将是我国城市污水处理厂发展的方向。三、几种处理系统的工艺比较 为了选择出工艺上最可靠，投资上最经济，管理上最方便的城市污水处理系统，结合当地的实际情况，我们调研了国内外污水处理厂的成熟经验和发展趋势，并进行了比较。 目前，国
9、内外城市污水处理厂处理工艺大都采用一级处理和二级处理。一级处理是采用物理方法，主要通过格栅拦截、沉淀等手段去除废水中大块悬浮物和砂粒等物质。这一处理工艺国内外都已成熟，差别不大。二级处理则是采用生化方法，主要通过微生物的生命运动等手段来去除废水中的悬浮性，溶解性有机物以及氮、磷等营养盐。目前，这一处理工艺有多种方法，归结起来，有代表性的工艺主要有传统活性污泥、氧化沟、A/O 或 A2/O 工艺、SBR 及 CCAS工艺等。目前，这几种代表工艺在国内外都有实际应用。污水处理厂最好的节电场合是曝气机的鼓风机（有些是采用搅拌机来曝气），节电率更高污水处理厂的设备是全天候运转的，而且曝气机和潜水泵是污
10、水处理的核心设备，需要用变频器对曝气机的鼓风机（罗茨风机）和潜水泵进行调速。 鼓风机变频控制：污水处理好氧部分溶解氧浓度对处理结果有很大影响，溶解氧浓度太低，污水不能达标；溶解浓度太高，不仅浪费电能还可能使活性污泥上浮使出水也不能达标。鼓风机加变频器就是为了控制 CASS 池溶解氧的浓度稳定在恒定值.考虑到实际应用中只可能一台是变频运转，另一台停止或工频运转，同时为了减少固定资产投资，设计了 2 台风机只用一台变频器控制，刚曝气时，一台风机变频运转，如果该风机运行到 50HZ 后，溶解氧浓度仍没达到设定值，该变风机自动投到工频(50HZ)继续运转，第二台风机自动投到变频运转，在 PID 自动控
11、制下直到溶解氧浓度稳定在设定值。当溶解氧浓度大于设定值,且变频风机频率低于一定频率,工频风机自动切断,只有变频风机运转 。3.1 变频调控原理与特性 随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。 3.2 变频调节的节能原理： 图 2 中曲线 1 和 2 表示调速时的压力-流量曲线，曲线 3 和 4 表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线 5 表示恒速时功率-流量曲线，设 A 点为风机最大工况点。当风量需从Q1 减少到 Q2 时，如果采用节流调节法，工况点由 A 到
12、B，风压增加到 H2，由图中可看出轴功率 P2 下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由 A 到 C，可见在满足同样风量 Q2 情况下，风压 H3 将大幅度下降，功率 P3 随着显著减少。节省的功率损耗PHQ2 与图中面积 BH2H3C 成正比。由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围 0100，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律： Q1/Q2(n1/n2)，H1/H2(n1/n2) 2，P1/P2(n1/n2) 3 可知，当
13、其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的 1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。假设将水泵转速降低 10%（输出频率 45Hz 时）则功率 P2=（0.9）P1=0.73P1,节电 27%。假设将水泵转速降低 20%（输出频率 40Hz 时）则功率 P2=（0.8）P1=0.51P1,节电 49%。由于功率与转速成三次方的关系，因此，转速变化越大，功率的消耗将呈几何级数减少。3.3 启动电流对电动机及设备的损害电动机在启动阶段，往往采用自藕变压器降压启动或（星三角）启动方式，这两种方式虽然能降低启动电流对电动机的损害，但仍有高达额定
14、电流 56 倍的启动电流，严重危害着电动机、水泵、单向阀、管路系统的使用寿命。使用变频调节以后，由于使用了 SPWM 技术，实现了真正意义上的软启动和缓冲停机，从根本上消除了启动电流对电动机及其它设备的危害，大大延长了设备的使用寿命。3.4 设备运行中的噪音、震动、水锤等问题设备在全电压启动、运行、停止的过程中，由于无法进行及时有效的调节，会产生严重的水锤、机械噪音增加、震动加剧等现象，这些现象都具有极大的破坏性，会引起管道破裂或瘪塌、损坏阀门和固定件，并会增加进线变压器的负荷状况。采用了变频调节后，可以通过延长升、降速时间来延长起动或停机的过程，即使在运行过程中，也可以通过对工作频率点的选择
15、，跳过容易引起设备共震的工作点，从而使水泵叶片、单向阀、管路系统承受的应力大为减小，轴承的磨损也大大减轻，设备的工作寿命将大大延长。 高频斩波串级调速系统在秦皇岛发电厂的应用【摘要】高频斩波串级调速系统是应用于高压大容量异步电动机节能调速领域的一种比较先进的调速系统。本文介绍了灰渣泵应用高频斩波串级调速系统的技术经济分析。【关键词】高频斩波串级调速 灰渣泵 节能 调速【Abstract】Cascade speed control system assembly with high frequency chopper is an advanced speed control system tha
16、t is applied to high voltage asynchronous motor. This text introduces the technology and economy analysis of Cascade speed control system assembly with high frequency chopper that had been applied to cinder pump.【Key words】 Cascade speed control system assembly with high frequency chopper, Cinder pump, Speed control, Energy saving【前言】风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约 35000MW，耗电量约占全国电力消耗总量
