本文从窑炉助然风流量控制中变频器与调节蝶阀的选用方案比较入手，通过应用实例，介绍变频器一些基本性能，节能、易操作特点及选用注意事项，为扩大变频器在瓶罐玻璃工厂应用提供参考。

一、前 言
         
    交流变频调速技术是丁项具有八十年代中期国际水平的技术。采用交流电动机变频调速器（以下简称变频器）控制各种场合的风机、水泵，则是这项技术的具体应用。这项技术在一些行业己得到推广和应用，使用效果较好，受此启发，我们于九二年及其以后的设计中采用这项技术，解决熔窑助燃风流量的控制问题，经过实际使用，效果比较理想。事实上，这项技术在瓶罐玻璃行业也有其它同行所采用，只是未作交流而已。我们希望通过此文抛砖引玉，与同行们交流砌磋，互相促进，更好的解决窑炉自控问题。
       
二、变频器应用中的利与弊
       
     大家知道 ，燃油的玻璃熔窑助燃风流量闭环控制系统，是构成炉温、油、风串级比值调节（或双交又调节）系统的一个重要组成部分。在国内，瓶堵玻瑞工厂熔窑助燃风流量作为被控对象的历史较之重油流量控制要晚，原因之一是受检测元件和执行装置限制。国产均速管、涡街流量计的出现，为助燃风流量检测提供了条件。而助嫌风流t控制执行装置目前有两种方式供选择：一种是采用蝶阀，进行截流式控制：另一种是采用变频器，通过改变输入频率来改变风机的电机转速，从而达到改变风量的目的。这两种方式均有应用的实例。在我们设计过的瓶罐玻璃工厂中，有几条引进生产线，自控系统随熔窑引进，其中助燃风流量控制执行装置采用的是调节风门（Regurated Flap），其结构和动作原理同国内蝶阀，己使用多年。我们自行设计的熔窑控制系统则采用变频器作为助燃风流量控制的执行装盖。为什么我们自己设计的助燃风流量控制系统采用变频器呢？这是我们根据玻璃工厂工艺情况和变频器的特点经过分析后得出结果。下面是我们采用变频器的一些看法。
       
1、有利因素：
 
   （1）采用变频器控制风机、水泵是一项成熟的技术，在别的行业已有应用成功的实例。
       
    (2）节能。据资料介绍，变频器节能效果高可达50%，平均达41%.由于调节续阀是靠压差来调节的，因此约有压差的二分之一的能lot作为环力损失消耗，而变频器白身功耗仅占总功率3%左右。
       
   （3）不占用直管段。众所周知，瓶罐玻璃厂熔窑助燃风管路系统牡点足门径大、主管道的直管段较短，主管道要同时满足检测仪表和执行装置的直管段比较困难。根据我们设计的助燃风管路情况看，送风主管路的管道长短不一。例如K的可达了米，管逆内径450mm，约合16D；短的只有1米，管迈内径700mm，约合1.4D；一般以2-4米为多，在相应管径下约合4～6D，根据常用的气体流鼓测量装置对直管段要求悄沉石，以均速管的要求较低，据产品说明书介绍，最有利的管路结构情况下（同一平而内有一个900弯头或三通），上游侧（以下称前）需7D，下游侧（以下称后）需3D，有的样本给出最低直管段要求为前2D，后2D。从多数的助燃风送风侧管路情况看，均速管需前7D，后3D，否则将达不到均速管所给出1%的测量精度指标。而涡街流量计，至少需前10D，后5D，才能保证1%的测量精度。对于仅有4～8D直管段情况下，若再安装白身厚度约。3米的蝶阀的话，相当于插入了一个阻力元件，则连4～8D直管段也没有了，均速管流黄计的直管段不能满足要求，则直接影响测量精度，甚至将无法保证测量结欠准确性。在近年来的设计中，采用了在吸风口侧装设吸风管道，将检测元件安装在吸风管道上的做法，直管段比较容易满足，但受到工艺条件的限制，并非侮个厂都能做到。采用变频器方案，由于没有管路阻力元件，相对于采用蝶阀的方案来说有利一些。
       
   (4）变频器安装方便，易于操作。由于调节蝶阀是嵌装在助燃风管道的七，一般安装在距地面2米～7米的空间，安装和检修不方便，管径大的还要加固风管：而变频器可以安装在风机旁亦可安装在控制室（最好不要离电机太远），除可白动及远方操作外，还可在机旁手动操作，数据显示丰富，相对蝶阀要方便得多。
       
  （5）从投资上看，目前变频器的价格与国产蝶阀价格相差不是很大，例如，管径600， 的国产轻型电动蝶阀（ZAJW-0.1），铸钢材质，99年的价格为每台0.7～0.8万元，气动蝶阀（ZSCW-0.6），铸钢材质，99年的价格为每台0.6 万元左右（不带定位器及手轮），现一台5.5K W国产变频器价格为0.7～0.8万元，一台5.5K W进口变频器价格为0.8～1.1万元左右。国产变频器价格已与相应规格的国产蝶阀价格相近。
       
   2、不利因素：
       
    （1）变频器输出转矩在低频段不能保持恒定。由于电机定子绕组有铜损，电机工作在低频时，绕组内部的压降不可忽略。据资料介绍，电机在10～15Hz以下低频运行时，其输出转矩会有所下降，大约下降10%～30%，在6Hz以下运行时，电机输出转矩仅达额定转矩的60%～70%。因此，对于恒转矩工作特性的对象（例如罗茨风机）在选用变频器时，应考虑这一因素，避免工作在低频段。如果要求长期在低频段工作，应选用适用于恒功率特性的变频器或考虑变频器配套功率比电机功率提高一个功率级，以免应过流而损坏。
       
   （2）存在电机损耗和温升。用变频器驱动普通电机时，由于变频器输出电压波形中除所需的基本频率外，还有载波频率及5次、7次谐波等。载波频率使电机的铁损增加，各次谐波频率主要使铜损增加。据资料介绍，与直接由电网电压驱动相比，电机的温度将有所升高，严重时，温升可高出10～20摄氏度。如果电机在低频段运行，由于电机转速降低，自身冷却效果亦降低，将进一步促使电机的温升提高。
       
   （3）存在电磁噪音。产生电磁噪音的原因是由于变频器输出电压波形为非正弦波形，上面“毛刺”很多，尤其是电机在低频段运行时较明显。我们在早期的实际应用中，采用一种国产变频器，在10Hz以下运行时有电磁噪音，在6Hz以下运行时，电磁噪音比较明显， 有时有刺耳的尖叫声。近年来，国内外的变频器产品，采用了16位或32位的CPU（Central Processing Unit，中央处理器），有较好的软件，加上功率输出元件采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型品体管），输出波形比较平滑，减少了启动和低频运行时的噪音。后来我们采用日本富士电机公司FRN5000系列G9S型变频器，从1Hz-50Hz运行段，电机的电磁噪音不明显，更没有尖叫。这也说明电磁噪音与变频器质量亦有很大关系。另一个问题是对电源的“污染”问题，但由于助燃风调节中所用变频器容量较小，这个问题不突出。
       
   （4）存在电机共振的可能性。用变频器的另一注意点是要防止某一工作点与电机（或风机）的本振频率发生共振，这时电机的震动及噪音将增大。实用中我们没有遇到这种情况。
       
   （5）不适用于多台风机并联运行、采用总管式供风情况，而适合于一台助燃风机对一台熔窑的场合。变频器可以带多台电机，但从工艺的角度考虑，这种情况下没有实用价值，而调节蝶阀在总管式供风情况下可实现对单台窑炉助燃风量的控制。
       
       以上几点不利因素是采用变频器时应当考虑的，但是随着变频器自身技术改进，某些因素影响在减弱，例如电磁噪音，另外对于熔窑助燃风的电机来说，由于功率较小、运行工况及使用环境较稳定，在选用质量较好的变频器情况下，这些不利因素相对影响小，根据实际运行情况看，可长期稳定工作。
       
       综合分析 ，用变频器取代蝶阀作助燃风流量控制执行装置，利大于弊，这就是我们选用变频器的原因。根据以上分析，两种方案的特点对比如下：
       
       采用变频器的方案特点：
       
       （1）调节原理：通过对风机的电机变频调速实现风量控制，无管道压力损失，自身功耗小，节能。低频段运行有电磁噪音，温升增高。
       
       （2）安装、操作方便，易于维修。
       
       （3）投资：比蝶阀稍高。
       
       采用蝶阀的方案特点：
       
       （1）调节原理：截流式，前后需有0.3～0.5KPa压力损失。风机全压指标相应选大，不节能。
       
       （2）风管道需加厚、支撑，现场操作及维修不方便。
       
       （3）比变颇器稍低。
       
  三、助燃风机变频调速控制的特点
       
       
       （1）一般变频器采取控制V/F（电压/频率）比值恒定的方式，以防低速运行时电机因过流而烧坏。
       
       （2）V/F比值与电机转矩特性有恒转矩、减转矩以及恒转矩/恒功率等特性之分，助热风机为减转矩特性。减转矩特性的好处是低速运行时不需很大转矩，因此能够通过降低电压提高效率。
       
       （3）根据电机转速与频率成正比，与极数成反比的特性，对于己选定的风机，其配套带来的电机极数己定，因此，改变频率，即可改变其转速。
       
       （4）由于风量与转速一次方成正比，通过变频器改变助燃风机电机的转速达到线性改变风量的目的。
       
     四、某工程实施方案
       
       
       图1
       
    助燃风风量，最大流量18000m3/h，配用电机功率7.5Kw。流量通过均速管流量计检测，测量的差压值经差压变送器转换4～20mA 信号，由配电器转换成15V信号送微机系统，由微机系统输出4～20mA信号进入变频器，通过变频器去改变助燃风机电机转速，从而达到改变风量目的。
       
    变频器采用日本富士（FUJI）公司产品，型号为FRN7.5G9S-4JE，规格为：装置容星14KVA，配接电机7.5KW，输出频率0～400Hz，最大输出电流18A，输入电压为三相380V，50Hz。这种机型主控板采用双32位CPU，PWM技术.输出功率元件采用IGBT（绝缘栅双极刑品体管）模块。变频器操作面板采用一块键板（KEYPAD），键板通过一个插接口与变频器相连，辅以螺钉紧固。键板上有LED显示、液品显示及八个软键，LED显示输出电爪、电流、频率、电机转速、转矩等运行参数，液品显示程序步及设定参数。键板亦可以通过变频器上的RS-232C接口，利用选件——电绩将键板远拉至10米处进行远方操作。变频器上除0～10V或4～20mA输入、外部电位器设定输入、频串输出（0～60Hz，脉冲或模拟方式）、报警输出等连接端子外，还有外部制动等连接端子用于其他用途，由于助燃风控制系统上较少采用，故不一一罗列，具体可参考有关说明书。
       
       变频器的安装位置设在风机旁的混凝土立柱上，操作和观察很方便。
       
       为了保证变频器的正常运行，将其置于带门锁、两侧有散热孔的保护箱内。
       
       以下是现场对变频器联机调试时测试得到的一组数据，列表1如下。
       
       表1
       
       
       
       注：1. 调节器手操输出为百分数，输出值（mA）为理论计算值，并不是实际测量值。
       
       2. 风量测量值显示的是一个波动值，约在本表取值的±50m3/h上下波动。
       
       
       
       五、变频器产品的目前情况

       
    目前变频器的生产厂家较多，据我们所知，在我国市场的产品有：日本安川(YASKAWA),富士（FUJI）、日立（HITACHI）、三菱（MITSUBISHI）、三肯（SANKEN）、松下（NATIONAL），美国ABB，丹麦丹佛斯，德国西门子（SIEMENS），韩国金星（GLOGSTAR.有译为高士达），台湾台达、普传、北京比莱恩（北京电机总厂引进日本三菱电机公司技术生产）、西安西普（采用台湾普传PI90系列技术）、北京北茂、深圳华为等公司产品。
       
    市场上的产品从操作面板上的设定方式看可分为两类：一类是电位器设定（模拟）方式；另一类是软键设定（数字）方式。
       
   面板上采用电位器设定频率的变频器，其外部设定输入信号有0～10V.DC 或4～20mA.DC信号，也可以通过外部电位器进行设定。输出频率采用模拟仪表指示或LED数字显示。主控板采用8位或位16CPU，PWM技术。功率输出元刊采用GTR校块。
       
   面板上采用软键设定频率的变频器，其外部设定输入信号亦有0-1OV.D C或4-20mAo DC信号，亦可以通过外部电位器进行设定。输出频率采川Lf'D数宇显示，显示功能比较半富，除了显示频率外，电压、电流、转速等土要参数可手动切换显示。土控板采用16位或32位CPU，采用全数字久员PWM技术。功率元件采用IGBT模块。吏进一步的元件采用IPM（Intelligent Power Module adopting IGBT，采用IGBT的智能功率模块），这是一种内置保护电路的功率输出模块。
       
   数字设定变频器是近年来新产品。这种产品除了继承以往产品功能外，新增了不少功能，尤其是采用了磁通矢量控制实现低速高转矩（高达150%）以及采用IGBT功率输出模块，在一定程度上解决了低频低转矩以及低频产生电磁噪音的问题，通用性更好，价格比以往产品高出50%左右（以5.SK W产品为例）。
       
    以下是目前较先进的变频器产品具有的一些基本特点。
       
    （1）采用32位CPU。例如日本日立J300系列、富士FRNG9S系列（采用双32位CPU），日本三肯公司IF系列产品等。
       
       （2）通信接口功能。
       
       （3）多种设定方式：
       
       数字式频率给定，
       
       模拟量给定（4～20mA），
       
       电位器给定（0～1K），
       
       固定频率给定，
       
       遥控数据传输。
       
       （4）丰富的数字显示。
       
       （5）丰富的内部功能。
       
       （6）适应各种场合。
       
       （7）采用IGBT模块。
       
       （8）各种保护功能，例如过电流、过电压、欠电压、过载、接地短路、变频器过热、瞬时停电等基本保护功能均具备。
       
       （9）匹配电机容量范围广：三相380V，50Hz，0.2～220KW。
       
       （10）输出频率准确度：0.2～0.5级。
       
    目前市场上还有一种产品，自带PID功能，只需将检测信号接入，在变频器上进行PI参数设定，则可控制电机，例如美国ABB公司生产的变频器。这种产品适合于分散的单参数调节的场合，同时可省去一个PI调节器。
       
       六、结束语
     
    目前，对助燃风实行开环控制或闭环控制的应用情况在逐步增多，实践证明，采用变频器作为执行装置完全可以满足控制质量要求。选用变频器作为熔窑助燃风控制系统的一个执行环节，节能潜力是有限的，因为容m不大，但是系统的稳定性比较好，对窑炉热工制度比较有利，值得推广。实际选用在满足基本功能情况下，应优先考虑产品质最可靠，价格合理。新一代变频器保护功能及低频运行性能较好，质址相对来说较优，价格也还合理，对于使用台数不多、可靠性要求较高的助燃风控制系统来说，值得选型时优先考虑。由于变频器具有竹能、控制特性好、易操作的特点以及随着产品不断改进，价格逐步降低，应用范围在逐步扩人。瓶罐玻璃行业的窑炉加料系统、供油系统、窑炉冷却系统等场合都适于采用变频器控制