變頻器及其在污水處理中的應(yīng)用

會(huì)計(jì)學(xué)1變頻器及其在污水處理中的應(yīng)用變頻器概述變頻器在污水處理中的應(yīng)用變頻器及其在污水處理中的應(yīng)用第1頁/共22頁變頻器概述1、變頻器的基本概念2、變頻器的基本運(yùn)行原理3、變頻器的組成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(yù)測(cè)第2頁/共22頁什么是變頻器？變頻器是利用電力半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)交流異變頻器步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。它的英文譯名是VFD（Variable-frequencyDrive），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(shí)例之一。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。變頻器的基本概念第3頁/共22頁1.概述

主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，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(dòng)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(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器的基本運(yùn)行原理第4頁/共22頁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(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，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(jiǎn)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(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。變頻器的基本運(yùn)行原理第5頁/共22頁變頻器的基本運(yùn)行原理交-直-交變頻器的主要結(jié)構(gòu)框圖第6頁/共22頁變頻器的基本運(yùn)行原理交-直-交變頻器原理圖第7頁/共22頁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(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。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?？刂破?，按設(shè)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(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。變頻器的組成第8頁/共22頁變頻器的作用

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(yīng)用。變頻器的作用是改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，用變頻器+交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組合替代了大部分原先只能用直流電機(jī)完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到新階段。變頻器的作用第9頁/共22頁變頻技術(shù)誕生背景是交流電機(jī)無級(jí)調(diào)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(yīng)用受限。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級(jí)產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。20世紀(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場(chǎng)，得到了廣泛應(yīng)用。最早的變頻器可能是日本人買了英國(guó)專利研制的。不過美國(guó)和德國(guó)憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，高端產(chǎn)品迅速搶占市場(chǎng)。步入21世紀(jì)后，國(guó)產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場(chǎng)變頻器的歷史第10頁/共22頁變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)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(luò)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(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)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(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)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(duì)電機(jī)的影響；二要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(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(yù)測(cè)返回目錄第11頁/共22頁一、變頻器在污水處理設(shè)備上的應(yīng)用變頻器在鼓風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用變頻器在潛水泵上的應(yīng)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(yīng)用效果變頻器在污水處理中的應(yīng)用第12頁/共22頁1.變頻器在鼓風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用污水處理廠最好的節(jié)電場(chǎng)合是曝氣機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)（有些是采用攪拌機(jī)來曝氣），節(jié)電率更高,污水處理廠的設(shè)備是全天候運(yùn)轉(zhuǎn)的，而且曝氣機(jī)和潛水泵是污水處理的核心設(shè)備，需要用變頻器對(duì)曝氣機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)（羅茨風(fēng)機(jī)）和潛水泵進(jìn)行調(diào)速。變頻器在污水處理設(shè)備上的應(yīng)用第13頁/共22頁鼓風(fēng)機(jī)變頻控制：污水處理好氧部分溶解氧濃度對(duì)處理結(jié)果有很大影響，溶解氧濃度太低，污水不能達(dá)標(biāo)；溶解濃度太高，不僅浪費(fèi)電能還可能使活性污泥上浮使出水也不能達(dá)標(biāo)。鼓風(fēng)機(jī)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(shí)際應(yīng)用中只可能一臺(tái)是變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)停止或工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)為了減少固定資產(chǎn)投資，設(shè)計(jì)了2臺(tái)風(fēng)機(jī)只用一臺(tái)變頻器控制，剛曝氣時(shí)，一臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，如果該風(fēng)機(jī)運(yùn)行到50HZ后，溶解氧濃度仍沒達(dá)到設(shè)定值，該變風(fēng)機(jī)自動(dòng)投到工頻(50HZ)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，第二臺(tái)風(fēng)機(jī)自動(dòng)投到變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，在PID自動(dòng)控制下直到溶解氧濃度穩(wěn)定在設(shè)定值。當(dāng)溶解氧濃度大于設(shè)定值,且變頻風(fēng)機(jī)頻率低于一定頻率,工頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)切斷,只有變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器在污水處理設(shè)備上的應(yīng)用第14頁/共22頁2.變頻器在潛水泵上的應(yīng)用起動(dòng)時(shí)的電流沖擊及調(diào)節(jié)壓力/流量的方式與鼓風(fēng)機(jī)相似。潛水泵起動(dòng)時(shí)的急扭和突然停機(jī)時(shí)的水錘現(xiàn)象往往容易造成管道松動(dòng)或破裂，嚴(yán)重的可能造成電機(jī)的損壞，且電機(jī)起動(dòng)/停止時(shí)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(qiáng)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(jī)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(zhǎng)期工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，造成電機(jī)過早的老化，而且變頻的軟啟動(dòng)大大的減小水泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械的沖擊，并且具

有明顯的節(jié)電效果。變頻器在污水處理設(shè)備上的應(yīng)用第15頁/共22頁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(shí)的壓力-流量曲線，曲線3和4表示節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)管路阻力特性曲線，曲線5表示恒速時(shí)功率-流量曲線，設(shè)A點(diǎn)為風(fēng)機(jī)最大工況點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2時(shí)，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點(diǎn)由A到B，風(fēng)壓增加到H2，由圖中可看出軸功率P2下降，但減少的不太多。如果采用變頻調(diào)節(jié)方式，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)由A到C，可見在滿變頻器在污水處理設(shè)備上的應(yīng)用足同樣風(fēng)量Q2情況下，風(fēng)壓H3將大幅度下降，功率P3隨著顯著減少。節(jié)省的功率損耗△P＝△HQ2與圖中面積BH2H3C成正比。第16頁/共22頁由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)是一種高效的調(diào)節(jié)方式。鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，不會(huì)產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風(fēng)量范圍0％～100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負(fù)荷下運(yùn)行的場(chǎng)合。但是，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)量減小時(shí)，風(fēng)壓將發(fā)生很大變化，由風(fēng)機(jī)比例定律：Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3。

變頻器在污水處理設(shè)備上的應(yīng)用第17頁/共22頁可知，當(dāng)其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的流量、壓力、軸功率各下降到原來的1/2、1/4、1/8，這就是變頻調(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低10%（輸出頻率45Hz時(shí)）

則功率P2=（0.9）×P1=0.73P1,節(jié)電27%。

假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低20%（輸出頻率40Hz時(shí)）

則功率P2=（0.8）3×P1=0.51P1,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(jí)數(shù)減少。

變頻器在污水處理設(shè)備上的應(yīng)用第18頁/共22頁污水處理工藝過程（活性污泥處理方式）污水處理工藝過程第19頁/共22頁二、系統(tǒng)應(yīng)用效果

污水處理廠中的鼓風(fēng)機(jī)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，以及一些不安全隱患因素，并使系