變頻器及其在污水處理中的應用

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2、組成,4,、變頻器的作用,5,、,變頻器的歷史,6,、,變頻器技術(shù)發(fā)展方向預測,什么是變頻器？,變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變?yōu)榱硪活l率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異變頻器步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流,/,過壓,/,過載保護等功能。它的英文譯名是,VFD,（,Variable-frequency Drive,），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實例之一。變頻器是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。,變頻器的基本概念,1.,概述,主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部

3、分，變頻器的主電路大體上可分為兩類,:,(1),電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。,(2),電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。,2.,整流器,最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。,變頻器的基本運行原理,3.,平波回路,在整流器整流后的直流電壓中，含有電源,6,倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的

4、脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。,4.,逆變器,同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使,6,個開關(guān)器件導通、關(guān)斷就可以得到,3,相交流輸出。,變頻器的基本運行原理,變頻器的基本運行原理,交,-,直,-,交變頻器的主要結(jié)構(gòu)框圖,變頻器的基本運行原理,交,-,直,-,交變頻器原理圖,變頻器的組成,變頻器，通常分為,4,部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。,整流單元，將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。,高容量電容，存儲轉(zhuǎn)換后的電

5、能。,逆變器，由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。,控制器，按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動交流電動機。,變頻器的組成,變頻器的作用,變頻器集成了高壓大功率晶體管技術(shù)和電子控制技術(shù)，得到廣泛應用。變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復雜的調(diào)速控制簡單化，用變頻器,+,交流鼠籠式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術(shù)發(fā)展到新階段。,變頻器的作用,變頻技術(shù)誕生背景是交流電機無級調(diào)

6、速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)因體積大故障率高而應用受限。,20,世紀,60,年代以后，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠遠無法滿足需要。,20,世紀,70,年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻,(PWM,VVVF),調(diào)速的研究得到突破，,20,世紀,80,年代以后微處理器技術(shù)的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實現(xiàn)。,20,世紀,80,年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的,VVVF,變頻器技術(shù)實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。,步入,21,世紀后，國產(chǎn)變頻器逐步崛

7、起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場,變頻器的歷史,變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當今的運動控制系統(tǒng)包含多種學科的技術(shù)領域，總的發(fā)展趨勢是：,驅(qū)動的交流化,，,功率變換器的高頻化,，,控制的數(shù)字化,、,智能化和網(wǎng)絡化,。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。,隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣：,一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響；,二要看對電網(wǎng)的諧波污染和

8、輸入功率因數(shù)；,三要看本身的能量損耗如何。,變頻器,技術(shù)發(fā)展方向預測,返回目錄,一、變頻器在污水處理設備上的應用,變頻器在鼓風機上的應用,變頻器在潛水泵上的應用,變頻器變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能原理,二、污水處理工藝過程（活性污泥處理方式）,三、變頻器系統(tǒng)應用效果,變頻器在污水處理中的應用,1.,變頻器在鼓風機上的應用,污水處理廠最好的節(jié)電場合是曝氣機的鼓風機（有些是采用攪拌機來曝氣），節(jié)電率更高,污水處理廠的設備是全天候運轉(zhuǎn)的，而且曝氣機和潛水泵是污水處理的核心設備，需要用變頻器對曝氣機的鼓風機（羅茨風機）和潛水泵進行調(diào)速。,變頻器在污水處理設備上的應用,鼓風機變頻控制：,污水處理好氧部分溶解氧濃度對處

9、理結(jié)果有很大影響，溶解氧濃度太低，污水不能達標；溶解濃度太高，不僅浪費電能還可能使活性污泥上浮使出水也不能達標。鼓風機加變頻器就是為了控制,CASS,池溶解氧的濃度穩(wěn)定在恒定值,.,考慮到實際應用中只可能一臺是變頻運轉(zhuǎn)，另一臺停止或工頻運轉(zhuǎn)，同時為了減少固定資產(chǎn)投資，設計了,2,臺風機只用一臺變頻器控制，剛曝氣時，一臺風機變頻運轉(zhuǎn)，如果該風機運行到,50H,Z,后，溶解氧濃度仍沒達到設定值，該變風機自動投到工頻,(50H,Z,),繼續(xù)運轉(zhuǎn)，第二臺風機自動投到變頻運轉(zhuǎn)，在,PID,自動控制下直到溶解氧濃度穩(wěn)定在設定值。當溶解氧濃度大于設定值,且變頻風機頻率低于一定頻率,工頻風機自動切斷,只有變頻

10、風機運轉(zhuǎn)。,變頻器在污水處理設備上的應用,2.,變頻器在潛水泵上的應用,起動時的電流沖擊及調(diào)節(jié)壓力,/,流量的方式與鼓風機相似。潛水泵起動時的急扭和突然停機時的水錘現(xiàn)象往往容易造成管道松動或破裂，嚴重的可能造成電機的損壞，且電機起動,/,停止時需開啟,/,關(guān)閉閥門來減小水錘的影響，如此操作一方面工作強度大，且難以滿足工藝的需要。在潛水泵安裝變頻調(diào)速器以后，可以根據(jù)工藝的需要，使電機軟啟,/,軟停，從而使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決。而且在流量不大的情況下，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，一方面可以避免水泵長期工作在滿負荷狀態(tài)，造成電機過早的老化，而且變頻的軟啟動大大的減小水泵啟動時對機械的沖擊，并且具,有明顯的節(jié)

11、電效果。,變頻器在,污水處理設備上的應用,3.,變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能原理：,圖,2,中曲線,1,和,2,表示調(diào)速時的壓力,-,流量曲線，曲線,3,和,4,表示節(jié)流調(diào)節(jié)時管路阻力特性曲線，曲線,5,表示恒速時功率,-,流量曲線，設,A,點為風機最大工況點。當風量需從,Q,1,減少到,Q,2,時，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點由,A,到,B,，風壓增加到,H,2,，由圖中可看出軸功率,P,2,下降，但減少的不太多。如果采用變頻調(diào)節(jié)方式，風機工況點由,A,到,C,，可見在滿,變頻器在,污水處理設備上的應用,足同樣風量,Q,2,情況下，風壓,H,3,將大幅度下降，功率,P,3,隨著顯著減少。節(jié)省的功率損耗,P,

12、HQ,2,與圖中面積,BH,2,H,3,C,成正比。,由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)是一種高效的調(diào)節(jié)方式。鼓風機采用變頻調(diào)節(jié)，不會產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風量范圍,0,100,，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負荷下運行的場合。,但是，當風機轉(zhuǎn)速下降，風量,減小時，風壓將發(fā)生很大變化，,由風機比例定律：,Q,1,/Q,2,(,n,1/,n,2),，,H,1,/H,2,(,n,1/,n,2),2,，,P,1,/P,2,(,n,1/,n,2),3,。,變頻器在,污水處理設備上的應用,可知，當其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時，對應工況點的流量、壓力、軸功率各下降到原來的,1/2,、,1/4,、,1/

13、8,，這就是變頻調(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。,假設將水泵轉(zhuǎn)速降低,10%,（輸出頻率,45Hz,時）,則功率,P,2,=,（,0.9,）,P,1,=0.73P,1,節(jié)電,27%,。,假設將水泵轉(zhuǎn)速降低,20%,（輸出頻率,40Hz,時）,則功率,P,2,=,（,0.8,）,P,1,=0.51P,1,節(jié)電,49%,。,由于功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系，因此，轉(zhuǎn)速變化越大，功率的消耗將呈幾何級數(shù)減少。,變頻器在,污水處理設備上的應用,污水處理工藝過程（活性污泥處理方式）,污水處理工藝過程,二、系統(tǒng)應用效果,污水處理廠中的鼓風機和潛水泵在使用了一系列變頻器以后，不但免去了許多繁瑣的人工操作，以及一些不

14、安全隱患因素，并使系統(tǒng)始終處于一種節(jié)能狀態(tài)下運行，延長了設備的使用壽命，更好的適應了生產(chǎn)需要，響應了國家低碳綠色經(jīng)濟的號召。而且變頻器豐富的內(nèi)部控制功能可以很方便地與其他控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。從污水處理器的運行情況來看，效果很好。因此，在污水處理廠或相似的系統(tǒng)中使用變頻器具有很好的推廣價值。,變頻器系統(tǒng)應用效果,謝謝觀賞,變頻讓一切和諧行動,內(nèi)容總結(jié),變頻器及其在污水處理中的應用。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器技術(shù)實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。步入21世紀后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。污水處理好氧部分溶解氧濃度對處理結(jié)果有很大影響，溶解氧濃度太低，污水不能達標?？紤]到實際應用中只可能一臺是變頻運轉(zhuǎn)，另一臺停止或工頻運轉(zhuǎn)，同時為了減少固定資產(chǎn)投資，設計了2臺風機只用一臺變頻器控制，剛曝氣時，一臺風機變頻運轉(zhuǎn)，如果該風機運行到50HZ后，溶解氧濃度仍沒達到設定值，該變風機自動投到工頻(50HZ)繼續(xù)運轉(zhuǎn)，第二臺風機自動投到變頻運轉(zhuǎn)，在PID自動控制下直到溶解氧濃度穩(wěn)定在設定值。當溶解氧濃度大于設定值,且變頻風機頻率低于一定頻率,工頻風機自動切斷,只有變頻風機運轉(zhuǎn)。但是，當風機轉(zhuǎn)速下降，風量。減小時，風壓將發(fā)生很大變化，,