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变频器在制粉系统的应用
1 引言 F7 S1 ^0 u" a- Z, f" |' ~9 K
随着电力电子器件，电力电子技术，控制技术和计算机技术等领域的发展，变频调速理论和产品日益成熟，在工业实际中获得了广泛的应用。从节能 、高效运行、维护等诸多方面来看，变频调速在各电压等级的拖动系统中的应用是一种必然的趋势。! v3 l P" E* G+ v+ ?
2 锅炉的制粉系统的工艺及自动控制系统
. q e! C! a& f8 ~" u3 O 火电厂煤粉锅炉的制粉系统分直吹式和储仓式。直吹式制粉系统的锅炉当负荷及工况发生变化时锅炉的燃煤量会改变，而锅炉的燃煤量的变化是通过直接改变给煤机的给煤量，即调节给煤机的转速来实现的。储仓式制粉系统的锅炉，锅炉燃煤量的变化是通过改变给粉机的给粉量即调节给粉机的转速来实现的。在储仓式制粉系统中，原煤经过可以控制煤下降速度的给煤机落入滚筒式磨煤机中，一方面煤被磨碎，另一方面被热风或炉烟干燥，磨细的煤粉以被热风带出送入粗粉分离器，颗粒较大的煤粉被分离出来，重回磨煤机，较细的煤粉送入细粉分离器中与热风分开，细煤粉落入煤粉仓储存，并通过给粉机将煤粉送入炉膛燃烧。, {. m) [+ {/ D
给粉机是火力发电厂储仓式制粉系统供给锅炉燃料的主要设备，它把煤粉连续、均匀地送入风管，吹进锅炉燃烧，通过调节给粉机送入炉膛燃烧的给粉量可以控制主蒸汽的温度和压力的变化，从而保证锅炉的出力，而给粉量的调节是通过改变给粉机的转速来实现的。
! X+ {0 v2 Z5 ^- K* x8 B8 ^ 锅炉燃烧的控制包括主蒸汽压力和最佳燃烧工况的控制，通常根据主蒸汽压力的变化来调节给粉机的给粉量。由于锅炉的燃烧工况与风煤比有关，当给煤量变化时，要相应改变送风机的送风量，使锅炉燃烧时炉膛内过剩空气系数又保持在最佳值，且排烟热损失最小。送风机的风量与给粉机给煤量之间的关系，可以根据经验测出不同的给煤量和送风量，将两者的关系存入锅炉控制计算机中;另外还可以根据某种优化算法和优化目标自动寻找最佳风煤比和最适合的燃烧区，使不完全燃烧损失和排烟损失最小。% M& s4 {, p; Z- ~
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1 ]% m: @# u5 D8 S2 K图1 锅炉燃烧自动控制流程图" y$ E/ s3 D6 i1 m8 C
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图1给出了锅炉燃烧自动控制的一般流程。从锅炉燃烧控制的一般流程可见，给粉机的控制是其他拖动设备控制的依据，对锅炉燃烧控制和主蒸汽流量和压力的控制具有决定性作用。
4 c& z/ Y) b' b& k: w4 E1 x3 变频调速系统的设计
6 ?( B1 i" }# z1 {( ~: |" o" n4 N 变频调速系统的组成设计包括选定变频器的型号和规格、拖动系统的结构框图、决定配套设备（高低压电器、滤波器、调节器等）的参数或者型号。整个调速系统组成设计实际上是一个经济和技术的平衡过程，可以在充分调研的基础上制定几个方案，在对技术和经济仔细论证后选择一种最佳方案。变频调速系统的技术点包含负载特性、功率、起制动要求、保护性能、调速范围、动态、静态特性、操作要求、维修和配件要求，以及使用环境的要求等等。% L4 R& \* z0 c- w% r+ R8 F
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图2 变频调速系统框图: [ G$ R7 g- S/ z4 U+ a; V- O4 g
/ ~+ C; W0 q9 u5 ?+ r4 f 一个通用的变频调速系统框图如图2所示，过程调节器通过检测被控对象的被控量（如流量、压力、水位等），根据一定的控制规律形成变频器的转速，控制给煤量，调节电机的转速，使被控对象的被控量达到希望的值。4 z: g; x0 f, x& S8 g; Q1 q
变频器容量的确定，首先要确定电机的容量，合理的容量选择本身是一种节能降耗措施，一般有两种方法:! ^7 M; i1 @ Y! { i, D
（1）电机实际功率确定法 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。设安全系数取1.05,则变频器的容量Pb为# f3 V/ Y: l% B2 L0 c" w& F& t
Pb=（1.05～1.1）Pm（kW）
* w7 J I& `. Y/ h7 W. ^; S 式中，Pm为电机的实际功率功率。计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。
+ [- N0 C+ J+ j# s( j2 z（2）电机额定电流法 一般原则是:变频器输出额定电流应大于或者等于电机的额定电流。变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大或投资增大。但是对于连续变动负载和断续负载，因为电机允许过载时间通常大于变频器的允许过载时间（通常为1min），故应考虑选择变频器的额定电流I大于或等于电机运行过程中的最大电流IH。
8 K9 R, ?4 o) H+ V 由于变频器集成度高，整体结构紧凑，自身散热量较大，因此对安装环境的温度、湿度和粉尘含量要求高。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作环境的影响，因此我们将其放在电子间里。
5 P. B6 |: W* l. }9 ^- N 此外，变频器在工作中由于整流和变频，电源侧和电机侧电路中将同时产生高次谐波，引起功率因数降低、无线电干扰、噪音等问题，因此，柜内仪表和电子系统，应特别注意接地和屏蔽，应该选用金属外壳并可靠接地，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地，以防止电磁波干扰。变频器的正确接地是提高变频器控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，可以有效防止各种干扰及雷电侵入，接地必须与动力设备接地点分开，接地电阻越小越好。! E2 J4 p1 @# i9 N: |, a
4 锅炉DCS与变频器连接结构
' Z, {/ P! T+ Z' I* Z 我厂锅炉微机控制系统采用集散控制系统DCS，在对整个制粉系统生产工艺和流程有一个全面的了解和分析后，根据锅炉燃烧自动控制的各种算法计算出12台给粉机变频器的给定速度，经数模输出卡输出到三层给粉机的层操器，层操器同步控制同层的4台给粉机按指定的转速调节给粉量，维持锅炉主蒸汽压力和燃烧的稳定。为了减少速度反馈信号的电缆数量，并保证给粉机的速度稳定性，选用了无速度传感器的矢量控制变频器，在每次通电工作前能自动检测所带电机的参数，根据电机的电流、电压及相位等信号，计算出电机的实际工作转速，当发生与设定值有偏差时即自动修正转速。
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; ?# Z7 L7 [$ k2 k: Y1 ^9 E6 Y1 c图3 锅炉DCS与变频器连接结构图
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' B6 j) ]* W! q$ q9 B 在图3中可见变频器是给粉机驱动系统的核心设备，直接影响锅炉和机组的运行，为保证运行可靠性，我们选用一带一模式。即给粉机与变频器之间采用一台变频器带一台给粉机的匹配方式。这种方式的优点是可以避免因个别变频器出现故障而影响整个给粉系统运行。" k, A4 Q/ z/ x/ l' X! P1 j
考虑到给粉机驱动电机功率为2.2kW，所以选用Siemens的MICROMASTER420变频器，该变频器的适配电机就是2.2kW。更重要的是该变频器具有瞬时停电再起功能，能有效保证在电源切换时给粉量的连续、稳定，使炉膛燃烧工况稳定，主蒸汽品质控制精度高。& Z: `. m) S* L* {% n( v
5 变频器的参数设置0 Y( h* a7 N+ u/ u; J
变频器在使用中，是否满足传动系统的控制要求，变频器的参数设置非常重要，如参数设定不正确，轻者系统控制效果不好，重者系统不能正常运行。变频器的功能很多，参数也非常多，使用中需要设定的参数也很多，但在实际使用中，对不同的拖动系统，参数功能设置也各不相同。厂家对每一个参数都有一个默认值，在这些默认值参数值的情况下，系统是能以面板操作方式正常运行的，但是以面板操作并不能满足绝大多数传动系统的要求。针对我厂的实际情况，我们从以下几个方面进行:第一，确定电机参数，如设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到;第二，设定变频器的起动方式;第三，给定频率方式的选择。正确设定这三个参数之后，变频器基本上能正常运行。1 _$ M9 F1 Z4 g- q( w6 s, |5 a! x
在#1、#2炉给粉机拖动系统中选用Siemens的MICROMASTER 420变频器并对以下参数进行了设置，如附表所示。: p5 |% ~/ A+ m) m/ {4 W6 \
附表 MICROMASTER 420变频器的参数设置
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6 结束语* q6 c1 `) |( D. o/ w& o
给粉机是火力发电厂储仓式制粉系统供给锅炉燃料的主要设备，我厂将Siemens的MICROMASTER 420变频器用于给粉机。该变频器具有瞬时停电再起功能，能有效保证在电源切换时给粉量的连续、稳定，使炉膛燃烧工况稳定，主蒸汽品质控制精度高。
随着电力电子器件，电力电子技术，控制技术和计算机技术等领域的发展，变频调速理论和产品日益成熟，在工业实际中获得了广泛的应用。从节能 、高效运行、维护等诸多方面来看，变频调速在各电压等级的拖动系统中的应用是一种必然的趋势。! v3 l P" E* G+ v+ ?
2 锅炉的制粉系统的工艺及自动控制系统
. q e! C! a& f8 ~" u3 O 火电厂煤粉锅炉的制粉系统分直吹式和储仓式。直吹式制粉系统的锅炉当负荷及工况发生变化时锅炉的燃煤量会改变，而锅炉的燃煤量的变化是通过直接改变给煤机的给煤量，即调节给煤机的转速来实现的。储仓式制粉系统的锅炉，锅炉燃煤量的变化是通过改变给粉机的给粉量即调节给粉机的转速来实现的。在储仓式制粉系统中，原煤经过可以控制煤下降速度的给煤机落入滚筒式磨煤机中，一方面煤被磨碎，另一方面被热风或炉烟干燥，磨细的煤粉以被热风带出送入粗粉分离器，颗粒较大的煤粉被分离出来，重回磨煤机，较细的煤粉送入细粉分离器中与热风分开，细煤粉落入煤粉仓储存，并通过给粉机将煤粉送入炉膛燃烧。, {. m) [+ {/ D
给粉机是火力发电厂储仓式制粉系统供给锅炉燃料的主要设备，它把煤粉连续、均匀地送入风管，吹进锅炉燃烧，通过调节给粉机送入炉膛燃烧的给粉量可以控制主蒸汽的温度和压力的变化，从而保证锅炉的出力，而给粉量的调节是通过改变给粉机的转速来实现的。
! X+ {0 v2 Z5 ^- K* x8 B8 ^ 锅炉燃烧的控制包括主蒸汽压力和最佳燃烧工况的控制，通常根据主蒸汽压力的变化来调节给粉机的给粉量。由于锅炉的燃烧工况与风煤比有关，当给煤量变化时，要相应改变送风机的送风量，使锅炉燃烧时炉膛内过剩空气系数又保持在最佳值，且排烟热损失最小。送风机的风量与给粉机给煤量之间的关系，可以根据经验测出不同的给煤量和送风量，将两者的关系存入锅炉控制计算机中;另外还可以根据某种优化算法和优化目标自动寻找最佳风煤比和最适合的燃烧区，使不完全燃烧损失和排烟损失最小。% M& s4 {, p; Z- ~
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图1给出了锅炉燃烧自动控制的一般流程。从锅炉燃烧控制的一般流程可见，给粉机的控制是其他拖动设备控制的依据，对锅炉燃烧控制和主蒸汽流量和压力的控制具有决定性作用。
4 c& z/ Y) b' b& k: w4 E1 x3 变频调速系统的设计
6 ?( B1 i" }# z1 {( ~: |" o" n4 N 变频调速系统的组成设计包括选定变频器的型号和规格、拖动系统的结构框图、决定配套设备（高低压电器、滤波器、调节器等）的参数或者型号。整个调速系统组成设计实际上是一个经济和技术的平衡过程，可以在充分调研的基础上制定几个方案，在对技术和经济仔细论证后选择一种最佳方案。变频调速系统的技术点包含负载特性、功率、起制动要求、保护性能、调速范围、动态、静态特性、操作要求、维修和配件要求，以及使用环境的要求等等。% L4 R& \* z0 c- w% r+ R8 F
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变频器容量的确定，首先要确定电机的容量，合理的容量选择本身是一种节能降耗措施，一般有两种方法:! ^7 M; i1 @ Y! { i, D
（1）电机实际功率确定法 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。设安全系数取1.05,则变频器的容量Pb为# f3 V/ Y: l% B2 L0 c" w& F& t
Pb=（1.05～1.1）Pm（kW）
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+ [- N0 C+ J+ j# s( j2 z（2）电机额定电流法 一般原则是:变频器输出额定电流应大于或者等于电机的额定电流。变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大或投资增大。但是对于连续变动负载和断续负载，因为电机允许过载时间通常大于变频器的允许过载时间（通常为1min），故应考虑选择变频器的额定电流I大于或等于电机运行过程中的最大电流IH。
8 K9 R, ?4 o) H+ V 由于变频器集成度高，整体结构紧凑，自身散热量较大，因此对安装环境的温度、湿度和粉尘含量要求高。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作环境的影响，因此我们将其放在电子间里。
5 P. B6 |: W* l. }9 ^- N 此外，变频器在工作中由于整流和变频，电源侧和电机侧电路中将同时产生高次谐波，引起功率因数降低、无线电干扰、噪音等问题，因此，柜内仪表和电子系统，应特别注意接地和屏蔽，应该选用金属外壳并可靠接地，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地，以防止电磁波干扰。变频器的正确接地是提高变频器控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，可以有效防止各种干扰及雷电侵入，接地必须与动力设备接地点分开，接地电阻越小越好。! E2 J4 p1 @# i9 N: |, a
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考虑到给粉机驱动电机功率为2.2kW，所以选用Siemens的MICROMASTER420变频器，该变频器的适配电机就是2.2kW。更重要的是该变频器具有瞬时停电再起功能，能有效保证在电源切换时给粉量的连续、稳定，使炉膛燃烧工况稳定，主蒸汽品质控制精度高。& Z: `. m) S* L* {% n( v
5 变频器的参数设置0 Y( h* a7 N+ u/ u; J
变频器在使用中，是否满足传动系统的控制要求，变频器的参数设置非常重要，如参数设定不正确，轻者系统控制效果不好，重者系统不能正常运行。变频器的功能很多，参数也非常多，使用中需要设定的参数也很多，但在实际使用中，对不同的拖动系统，参数功能设置也各不相同。厂家对每一个参数都有一个默认值，在这些默认值参数值的情况下，系统是能以面板操作方式正常运行的，但是以面板操作并不能满足绝大多数传动系统的要求。针对我厂的实际情况，我们从以下几个方面进行:第一，确定电机参数，如设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到;第二，设定变频器的起动方式;第三，给定频率方式的选择。正确设定这三个参数之后，变频器基本上能正常运行。1 _$ M9 F1 Z4 g- q( w6 s, |5 a! x
在#1、#2炉给粉机拖动系统中选用Siemens的MICROMASTER 420变频器并对以下参数进行了设置，如附表所示。: p5 |% ~/ A+ m) m/ {4 W6 \
附表 MICROMASTER 420变频器的参数设置
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给粉机是火力发电厂储仓式制粉系统供给锅炉燃料的主要设备，我厂将Siemens的MICROMASTER 420变频器用于给粉机。该变频器具有瞬时停电再起功能，能有效保证在电源切换时给粉量的连续、稳定，使炉膛燃烧工况稳定，主蒸汽品质控制精度高。