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变频器在武钢供水系统中的节能应用






一、概述 ....................................................................................................3 二、变频调速的原理 ................................................................................5 三、风机、泵类负载的变频控制方法 ....................................................6 风机、 3.1 阀门控制 ...........................................................................................6 3.2 转速控制 ...........................................................................................7 四、变频器在武钢供水系统中原水取水过程中的应用 ........................9 变频器在武钢供水系统中原水取水过程中的应用 五、变频器在武钢供水系统中给水处理过程中的应用 ...................... 11 变频器在武钢供水系统中给水处理过程中的应用 六、变频器在武钢供水系统中污水处理过程中的应用 ......................14 变频器在武钢供水系统中污水处理过程中的应用 七、变频器在武钢供水系统中污水排放过程中的应用 ......................18 变频器在武钢供水系统中污水排放过程中的应用 八、风机、泵机在变频控制下的节能效率 ..........................................19 风机、 九、结束语 ..............................................................................................22 参考文献: 参考文献: ..............................................................................................23

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变频器在武钢供水系统中的节能应用 变频器在武钢供水系统中的节能应用 武钢供水 摘要:在武钢整个供水系统中大量地使用着风机、水泵、搅拌机、
压缩机等,而整个系统中的风机泵类负载,占整个用电设备能耗的 60%左右,电费在供水系统甚至占其生产成本的 50%。这是因为: 一方面,设备在设计时,通常都留有一定的余量;另一方面,由于工 况的变化, 需要泵机输出不同的流量。 随着市场经济的发展和自动化, 智能化程度的提高,采用变频器对泵类负载进行速度控制,不但对改 进工艺、提高产品质量有好处,又是节能和设备经济运行的要求,是 可持续发展的必然趋势。 从应用实例看, 大多已取得了较好的效果(有 的节能高达 30-40),大幅度降低了供水系统的生产成本、提高了经 济效益和系统自动化程度,且有利于风机、泵机和管网的降压运行, 减少了渗漏、爆管,可延长设备使用寿命。本文介绍了变频器在供水 系统中的应用及其节能效果。 关键词: 风机泵类负载 关键词:供水系统 风机泵类负载 变频器 速度控制 节能 智能化

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一、概述
风机、泵类设备是武钢水处理系统中最常用的设备,泵起动时的 急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂, 严重的 可能造成电机的损坏,且电机起动/停止时需开启/关闭阀门来减小水 锤的影响,如此操作一方面工作强度大,且难以满足工艺的需要。在 风机泵类负载安装变频调速器以后,可以根据工艺的需要,使电机软 启/软停,从而使急扭及水锤现象得到解决。而且变频器能够在合适 的情况下降低风机和泵的转速, 一方面可以避免风机和水泵长期工作 在满负荷状态,造成电机过早的老化,而且变频的软启动大大的减小 风机、水泵启动时对机械的冲击,并且具有明显的节电效果。 供水车间水处理系统中的潜水泵或离心泵在使用了变频器以后, 不但免去了许多繁琐的人工操作和不安全隐患因素, 并使系统始终处 于一种节能状态下运行,延长了设备的使用寿命,更好的适应了生产 需要。 而且目前大部分变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其 他控制系统实现闭环 PID 自动控制。 从各个供水站所的实际运行情况来看,变频效果很好: (1)与以前定 速泵相比,普遍节能在 20%以上; (2)风机、水泵的机械磨损大为降 低,机械故障率降为原来的 35—50%左右; (3)控制效果较好,能保 持液位较恒定、压力和流量不发生突变,无水锤现象。因此,在武钢 供水系统中使用变频器应具有很好的推广价值。 武钢的供水系统中变频器的应用按照流程可以分为以下几个部

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分: 1、 2、 3、 4、 变频器在原水取水过程中的应用; 变频器在给水处理过程中的应用; 变频器在污水处理过程中的应用; 变频器在污水排放过程中的应用。

在这个流程中的整个供水系统的机电设备一般包括以下几个方 面: 1、生化处理系列:微孔曝气系统等; 2、污泥处理系列:加药系统、浓缩机、板框压滤机等; 3、消毒处理系列:加氯机、紫外线污水处理器等; 4、排泥设备系列:刮泥机、吸砂机等。 从实际应用来看, 基本上每种处理方式都需要用到变频器或者应 用变频后有明显改善作用, 下面就从流程和设备应用上详细阐述其应 用。

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二、变频调速的原理
在武钢供水系统中的风机、泵类负载一般都以交流电动机驱动, 其中大部分电动机均不是工作在额定功率,而经常只有额定功率的 50~70,甚至更低一些(20~70)。 但电动机大部分处在恒速运行状态, 并以档板、阀门或放空回流的办法进行流量或压力的调节,从而白白 损失大量的电能,功率越大的风机、水泵,损失的电能越多。 对于水泵和风机,表达其特性的参数有:流量(风量)Q,扬程(风 压)H,功率 P 等。当转速从 n1 变为 n2 时,Q,H,P 大致变化关系为: Q2=Q1(n2/n1) H2=H1(n2/n1)2 P2=P1(n2/n1)3 即:流量与转速成正比,扬程与转速的平方成正比,轴功率与转速的立 方成正比。 如水泵的流量或风机的风量等调节,只需调节电机的转速就可以 实现,而同时将大大降低电机的消耗功率,节约了电能。 根据电工学的基本原理,电动机的转速 n 由以下公式表示: 式中:n---电动机的转速 f1---供电电源频率 S---转差率 P---电动机的极对数 因此要改变电动机的转速,只要改变供电电源的频率或者改变电

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动机的极对数或者转差率就可以改变电动机的转速。

三、风机、泵类负载的变频控制方法 风机、泵类负载的变频控制方法 载的变频控制
风机、泵类负载通常以所输送的液体流量为控制参数,为此,目 前常采用阀门控制和转速控制两种方法。

3.1 阀门控制
这种方法是借助改变出口阀门开度的大小来调节流量的。它是一 种相沿已久的机械方法。 阀门控制的实质是改变管道中流体阻力的大 小来改变流量。因为泵的转速不变,其扬程特性曲线 H-Q 保持不变, 如图 1 所示。

由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得名,其优点是具有

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四象限运行能力,能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆 变桥进行强迫换流,装置结构复杂,调整较为困难。另外,由于电网 侧采用可控硅移相整流,故输入电流谐波较大,容量大时对电网会有 一定的影响。 当阀门全开时,管阻特性曲线 R1-Q 与扬程特性曲线 H-Q 相交 于点 A,流量为 Qa,泵出口压头为 Ha。若关小阀门,管阻特性曲线 变为 R2-Q,它与扬程特性曲线 H-Q 的交点移到点 B,此时流量为 Qb,泵出口压头升高到 Hb。则压头的升高量为:ΔHb=Hb-Ha。于是 产生了阴线部分所示的能量损失:ΔPb=ΔHb×Qb。

3.2 转速控制
借助改变风机、泵的转速来调节流量,这是一种先进的电子控制 方法。转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因 为只是转速变化,阀门的开度不变。

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如图 2 所示,管阻特性曲线 R1-Q 也就维持不变。额定转速时的 扬程特性曲线 Ha-Q 与管阻特性曲线相交于点 A,流量为 Qa,出口扬 程为 Ha。 当转速降低时,扬程特性曲线变为 Hc-Q,它与管阻特性曲线 R1 -Q 的交点将下移到 C,流变为为 Qc。此时,假设将流量 Qc 控制为 阀门控制方式下的流量 Qb,则风机、泵的出口压头将降低到 Hc。因 此,与阀门控制方式相比压头降低了:ΔHc=Ha-Hc。据此可节约能量 为: ΔPc=ΔHc×Qb。 与阀门控制方式相比, 其节约的能量为: P=ΔPb ΔPc=(ΔHb-ΔHc)×Qb。 将这两种方法相比较可见,在流量相同的情况下,转速控制避免 了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。 在流量减 小时,转速控制使压头反而大幅度降低,所以它只需要一个比阀门控 制小得多的,得以充分利用的功率损耗。

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四、变频器在武钢供水系统中原水取水过程中的应用
武钢供水系统中取水泵站选泵设计时,一般以供水保证率达到 9 5 % ~9 9 %的最低原水水位时泵站所达到的最大出水量为最低标 准。一般在枯水期间, 江河水位最低,冬季的供水量也少,水泵所 需的扬程最高;丰水期间,江河水位上升,夏季又是高峰供水阶段, 供水量最大,但水泵的静扬程不需要很高。由于某些原因, 非正常 供水也有可能经常出现,如夏季高峰供水时,出现特大干旱,此时江 河水位也可能下降到最低点,而此时供水量又要求最大;冬季枯水期 时, 也可能需要特大的供水量。这样,投入巨资兴建的取水泵站将 不能发挥作用, 按设计规范选定的扬程和流量参数将会变得非常不合 理,运行能耗和基建投资浪费很大。 而采用变频调速,就可以解决变流量运行时的水泵的节能要求。 因为水泵运行中的轴功率与其转速的 3 次方成正比, 当水泵运转速度 降低以后,其轴功率随转速比率 3 次方下降, 驱动电动机所需要的 功率也相应减少,从而取得明显的节电效果。通过降低机泵的转速, 可以使流量成比例地减少;压力减少的幅度更大, 按平方关系减少; 轴功率降低的幅度最大,因而节电效果更显著。所以说,变频调速是 水泵机组节能降耗的最佳选择。 武钢供水系统中的江边水站等输水泵站、 及全国许多大中小型城 市的取水输水泵站,近十几年均采用了变频调速装置。东北市政设计 院设计的“ 引英人连” 供水工程水源泵站 2 0 0 1 年正式投产,

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其供水能力为 6.6X1 0m/d,共 5 台 28 0 0k W 的卧式离心水泵。 其中 4 台水泵机组选用 S i m o v e ~MV 电压源型变频器,采用三 电平的磁场定向矢量控制技术;逆变侧采用大功率全控器件高压 I G B T 元件。因为 I G B T 元件的开通和关断过程都是连续可控的,无 需附加其它电路就能实现 d v/d t 控制,所以可减小电动机和变压 器上的 d v/d t。由于采用了 K T Y 8 4 器件,可以在线进行高精 度的转矩控制。S i mo v e ~MV 是一种可靠性很高的变频器,4 年来 一直运转良好,节电效果非常明显:每年节电 4 5 2 万 k W·h,以 每 k W.h 电 0.6 元计算,则每年能节省电费 536 万元。而取水泵站 的全部调速装置投资为 800 万元。可见,不到 2 年就可收回投资。

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五、变频器在武钢供水系统中给水处理过程中的应用
给水处理工艺流程,一般为进水、进配水、絮凝沉淀、过滤、人 清水池、进配水泵房,送人配水管网;还有加药、加氯、加氨等辅助 系统,中间还有回流泵房等。武钢供水系统各个供水车间的水量变化 是相对的,春夏秋冬时的变化系数和日变化系数都很大。其中,净配 水站比取水站的流量变化更大。流量的千变万化,关系着整个处理系 统的不断变化,如絮凝沉淀、各种过滤的处理程序、加氯、 加氨及 加药的随机变化,以及回流泵房等,都要采取各种先进监控技术来调 节变化。 下面重点介绍一下武钢供水系统中变频器在加药计量泵上的应 用,在水处理过程中,药剂的投加方式是直接影响出水水质和药剂消 耗的主要因素。 在实际操作中, 对药剂量要求控制严格, 加药量过少, 保证不了水的品质;加药量过大,不仅要造成不必要的浪费,而且会 导致环境污染。如果采用自动加药系统,就可以根据实际工况,自动 调节加药量,使水的指标保持在最佳范围之内。 国内目前已经有成熟的自动加药系统,如 HLJ 系列混凝剂加药 设备、HSJ/A 型一体化絮凝剂制备装置、HSJ/B 全自动加药设备等, 均广泛应用于生产饮用水、工业用水及污水的净化处理。我们知道自 动加药系统的核心是变频控制系统, 由于计量泵频率的改变就能改变 出料的速度, 从而引起水体测量值的变化, 这样一来通过 PID 控制或 模糊控制方式改变变频器的输出就可达到目的。

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净水加药自动控制系统示意图 如图所示,自动加药控制系统,它是利用流动电流原理,由 PLC 控制的在线胶体电荷测控系统,系统由检测传感器、控制仪、变频控 制系统、加药泵组成。在传感器的检测室内,水样连续通过两个电极 之间的毛细管通路时,胶体杂质会吸附于毛细管壁上,其反离子层受 到水力剪切产生移动,从而产生流动电流,经由电极检出,输出代表 当前水中胶体电荷状态的流动电流即 SC 值,并通过信号线传送给控 制仪。控制仪在所设定的工况下,经与设定值对比、判断后,输出一 个 4~20mA 标准信号,由 PID 调节控制变频器对电机调速,使计量 泵处于对应的工作状态之下,从而可以向水中投加定量的混凝剂。然 后, 投加药剂的水样又流入传感器进行检测, 并进行投药量的再调节。 如此循环往复,连续运作,实现连续自动调节加药量,保证混凝处理 维持在最优工况。 自动变频加药系统具有以下性能特点: 操作方便, (1) 安全可靠, 计量准确; (2)自动化程度高,维护方便; (3)使用寿命长。实践证 明这种自动投药技术要比机械投药平均节药百分之二十五, 既可以提

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高净水供水过程中运行经济效益, 又可以简化操作程序减轻运行人员 工作强度,降低劳动成本提高工作效率。

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六、变频器在武钢供水系统中污水处理过程中的应用
1、武钢供水系统的的污水处理的工艺主流程,都是采取提升泵 房、曝气池生化处理、污泥消化及污泥脱水、加药处理等程序。为了 达到污水排放的标准,必须根据流量和各种水质参数来进行监控。污 水生化处理,必须适时提供菌胶团生存和繁殖所需氧气量。氧气量少 了,会降低细菌分析的效果,甚至导致生化处理失败; 氧气量过多, 污水中的细菌会过氧化。在生化处理过程中,氧气量与生物需氧量 B O D、化学需氧量 C O D、悬浮物 S S 、水量和温度等水质参数有关。 曝气所需的风量与污水中的溶解氧的关系最为重要。 常规的风量恒定 控制和曝气倍率控制都不是好的方法,没有达到节能的效果;同时, 曝气所需风量与溶解氧的关系是非线性的, 需根据溶解氧的偏差来调 整鼓风机的风流量。检测溶解氧含量是非常困难的,过去采用 P I D 技术建模预测,效果不好。采用模糊控制等技术,其超调和过渡时间 都远远小于常规的 P I D 控制,其优点是超调量和振荡小,过渡时间 短,稳定性好,抗干扰能力强,根据溶解氧的参数就可以实现风量的 闭环自动控制。如鼓风机在工频下起动,电流冲击很大,容易引起电 压波动;而鼓风机风压一定,只能靠调节出气阀门和增减工作台数来 改变风量。这种方法既增加管道阻力,能量又浪费在 了阀门上。 下面重点介绍变频器在罗茨风机上的应用。 在污水生化处理方式中,曝气鼓风机(罗茨风机)将压缩空气通 过管道送入曝气池, 让空气中的氧溶解在污水中供给活性污泥中的微

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生物。当鼓风机在工频状态下起动时,电流冲击较大,容易引起电网 电压波动,而鼓风机(罗茨)风压一定,风量只能靠工作台数及出气 阀来调节,实际生产运行中往往是通过调节出气阀门来控制,即增加 管道阻力。因而许多能量多浪费在阀门上。随着变频调速器的广泛应 用,利用变频器的调速范围宽,可以在罗茨风机上应用变频器来调节 风机的风量。 由于变频器的软启动大大的减小了电机起动时对电网的 冲击,而且在正常运行的时候,将出气阀门开到最大,根据工艺和参 数的要求,适当的调节电机的转速来调节管道的风量,从而来调节污 水中的氧气含量。 另外可以根据溶解氧传感器反馈的信号 (4~20mA) 很方便地实现闭环自动控制。

曝气鼓风机(罗茨风机)曝气示意 以武钢供水厂某供水站所的曝气鼓风机(罗茨风机)为例,该机 容量 22KW/46A, 据统计, 年可以节电量为 36900 度。 由此可以看出, 应用变频系统后免去了许多繁琐的人工操作,具有明显的节电效果。 2、 武钢供水系统污水处理系统提升泵房的潜水机和脱水离心机, 都可根据处理量的多少来采用变频调速装置,使电动机软起或软停, 消除水锤的冲击破坏,防止电动机过早老化,并有显著的节电效应。
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以变频器在武钢供水系统中的卧螺离心机上的应用为例: 卧螺离心机的应用范围较广,可以用于固体脱液、液体澄清、固 体颗粒按粒度分级等, 目前已经在污水处理和废水处理上普遍得到应 用, 而且卧螺的传动已经从能耗严重的涡流制动发展到目前最主流的 双电机双变频驱动。 可以从卧螺的工作原理可以判断主、副电机工作状态:与主动件 相连的电机处于电动机工作状态, 与从动件相连的电机处于发电机状 态, 而基于共母线方案的双变频器驱动可以很好得解决副电机的持续 发电问题。综合看来,离心机的变频应用具有以下特点: (1)节能; (2)动态响应快,差转速调节过程从 PID 调节器的数分钟减小为变 频调速的数秒钟; (3)容易处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积, 从而提高工作效率。 以武钢供水系统某站所为例, 该站所为了适应新一轮节能减排改 造的需要,对老站所进行了改造,在新建污泥脱水站所安装了两台 LWD430WⅢ型离心机, 以满足日处理污水 10 万吨的需要。 该机采用 双电机双变频方案另加 PLC 控制,运行转速为 2200r/min,当差转速 为 10r/min,污泥含固率为 2%-4%,处理量为 26-20m3/h 时,差速器 小轴力矩约 15N.m, 可计算出副机转速为 1190r/min 差速器速比 91) ( , 和改造前相比(改造前采用电涡流制动器)可节电 1.87KW,以每天 运行 10 小时,每年运行 300 天计算,年节电 5610 度,以每度电费 0.631 元计算,两台离心机每年节省电费 7080 元。

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变频器在卧螺离心机中的应用 3、武钢供水系统中污水处理过程中加药量的多少,直接影响污 水的排放标准。水质参数和污水量变化是绝对的,药剂量加少了,不 能保证出水标准;药量加大了,会造成很大的浪费,且无论过多过少 都会严重破坏生态环境。新建的绝大多数污水处理厂站, 都设计了 自动加药装置,既保证了排放标准,又大大减小了浪费。自动投加药 系统的核心是安装变频器。通过模糊控制等技术,就可在线实时地改 变加药泵转速, 从而达到自动加药的目的。新的自动加药系统简化 了操作程序, 减轻了人力 强度,降低了劳动成本。

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七、变频器在武钢供水系统中污水排放过程中的应用
由于武钢是建设在长江边上的大型工厂, 因此污水排放系统是一 个非常重要的系统。例如武钢供水系统中的某污水排放泵站,采用了 3 台 1000~1600kW 变频器,电压为 6kV。由于无法预测污水排量的实 际数值设计专家无法进行精确设计。但采用了变频调速设计方案后, 选用统一容量的多台水泵,圆满地解决了上述问题。该工程中选用的 的中压电压源型变频器,功率因数在 0.95 以上,效率高达 97%,谐 波电流总失真小于 2%,采用低压的 I G B T 器件,可靠性高,技术 成熟;模块化设计,维护简单,收到了很好的节电效果。

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八、风机、泵机在变频控制下的节能效率 风机、泵机在变频控制下的 变频控制下
随着转速的降低,泵的高效率区段将向左方移动。这说明,转速 控制方式在低速小流量时,仍可使泵机高效率运行。

泵类负载的变频节能效果 对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果,通常采用以下 两种方式进行计算: (1)根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量-负载关系曲 线和现场运行的负荷变化情况进行计算 。 以一台 BDC300-400/D3S 型离心泵为例,额定流量 1025m?/h,扬程 278m;配备 YLBT500-4 型电动机,额定功率 1060KW,泵在阀门调节 和转速调节时的流量--负载曲线如附图示。根据运行要求,水泵连续 24H 运行,其中每天 11H 运行在 90%负荷,13H 运行在 50%负荷;全 年运行时间 300 天。

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则每年的节电量为: W1=1060×11×(100%-69%)×300=1084380kw·h W2=1060×13×(95%-20%)×300=3100500kw·h W=W1+W2=1084380+3100500=4184880kw·h 每 kw·h 电按 0.8 元计算, 则每年可节约电费 334 万元。 由此可 见, 高压变频调速技术在变负荷设备中应用,其节电效果是相当显 著的。 (2)根据风机、泵类平方转矩负载关系式:P/Po=(n/no)?计算, 式中为 Po 额定转速 no 时的功率,P 为转速 n 时的功率。 以一台 355KW 的送风机为例。运行工况仍以 24H 连续运行,其 中每天 11H 运行在 90%负荷(对应的运行频率为 46HZ,挡板调节时
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电机功耗 70%) ;全年运行时间在 300 天为计算依据。 则变频调速时每年节电量为: W1=355×11×11〖1-(46/50)3〗×300=259267.01kw·h W2=355×13X〖1-(30/50)3〗×300=1085448kw·h Wb=W1+W2=259267.01+1085448=1344715.01kw·h 调节挡板开度时的节电量为: W1=355×(1-98%)11×300=23430kw·h W2=355×(1-70%)13×300=415350kw·h Wd=W1+W2=23430+415350=438780kw·h 相比较节电量为: W=Wb-Wd=1344715.01-438780=905935.01kw·h 以电价 0.8 元/kw·h 计算,则采用变频调速每年可节约电费 72 万 元。 通过以上两种常见设备工况下的节能计算也可以看出, 变频调速 技术的应用在风机和泵类上具有显著的节能降耗效果。当然,由于各 种工业现场的负载、运行工况、控制目标的差异,在计算方式上存在 很大的区别; 因此, 针对实际问题要采取不同的原始数据和计算方式。

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九、结束语
以上各个控制系统过程中变频器的应用证明, 变频调速装置在武 钢供水系统上的应用具有显著的节能效果, 并且具有无冲击启动和软 停机的优良控制特性,可极大的延长机械设备的使用寿命,减少设备 的维护量; 随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制 技术的发展,变频器的性能价格比越来越高、体积越来越小、运行可 靠性越来越高,集成了具有实用的 PID 调节功能、简易 PLC、灵活的 输入输出端子、脉冲频率给定、停电和停机参数存储选择、频率给定 通道与运行命令通道捆绑、零频回差控制、主辅给定控制等功能,这 为变频控制装置纳入自动控制系统,对降低系统成本,提高系统可靠 性具有极大价值。 特别是对于武钢正在为降低生产成本提高经济效益 而大量采用新技术的今天,变频调速技术以其良好的投入产出比,将 会有更加广阔的应用前景。

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参考文献: 参考文献:
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