變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量約占全國(guó)用電量的60%，但我國(guó)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率卻非常低。我國(guó)迫切需要提高能源利用效率，對(duì)于工廠企業(yè)來(lái)說(shuō)，大部分電力都消耗在一些大功率設(shè)備如風(fēng)機(jī)，水泵等上，國(guó)家相關(guān)部門(mén)提出了幾大應(yīng)對(duì)措施，其中重要一條是采取合理的用電措施，積極采用節(jié)電新技術(shù)，如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時(shí)，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。這樣既可以獲得長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，更有廣泛的社會(huì)效益。
1、變頻調(diào)速技術(shù)
1.1 變頻技術(shù)概述
變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全可靠性和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電機(jī)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，變頻調(diào)速理論已經(jīng)形成較為完善科學(xué)體系，成為一門(mén)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。而相對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)技術(shù)是一項(xiàng)陌生而新奇的技術(shù)，變頻器是一種高科技產(chǎn)品，是一種將交流電轉(zhuǎn)化為可變頻變壓運(yùn)行的電能轉(zhuǎn)換裝置，有工業(yè)維生素之稱(chēng)。變頻調(diào)速裝置通常由整流器、平波電抗器或?yàn)V波電容器、逆變器及控制電路組成。在中間直流電路中串接平波電抗器作儲(chǔ)能元件的稱(chēng)為電流型變頻器。中間直流回路并接濾波電容器作儲(chǔ)能元件的稱(chēng)為電壓型變頻器。整流器將輸入的工頻交流電變換為直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)輸入至逆變器，逆變器將直流電流變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電輸入到電動(dòng)機(jī)。打個(gè)比方，變頻器就好比一個(gè)人的心臟，人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，心臟將劇烈跳動(dòng)，心率增加，供應(yīng)大量的血液給身體各器官;人在休息的時(shí)候，心臟將變緩，從而節(jié)約能耗。電動(dòng)機(jī)同樣也象一部操作中的機(jī)器心臟，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度也需要根據(jù)其負(fù)荷大小來(lái)調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，而變頻器則是為其正常運(yùn)轉(zhuǎn)加上一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。變頻器自1964年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷40多年的發(fā)展，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛使用，目前在中國(guó)的空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。
1.2 變頻調(diào)速與其它調(diào)速裝置的性能比較
變頻調(diào)速在調(diào)頻范圍，靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)效率、完善的保護(hù)功能、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和過(guò)程控制等諸方面是以往的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、滑差調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等無(wú)法比擬的。它是公認(rèn)的交流電動(dòng)機(jī)最理想最有前途的調(diào)速方案，代表今后電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。現(xiàn)將各種調(diào)速裝置的性能比較如下:
(1)變極調(diào)速的原理:變極調(diào)速適用于不要求平滑、連續(xù)和頻繁調(diào)速的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)場(chǎng)合。變極調(diào)速通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)p，使電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速n0改變(n0=60f/p,f為電網(wǎng)周波)，達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是:轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)差損耗少,使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便。缺點(diǎn)是:有級(jí)調(diào)速，不能平滑調(diào)速，而且級(jí)差較大。
(2)串級(jí)調(diào)速的原理:它通過(guò)在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入一個(gè)與轉(zhuǎn)子電勢(shì)頻率相同、相位相反的附加電勢(shì)。通過(guò)改變轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)節(jié)繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一種調(diào)節(jié)方式，串級(jí)調(diào)速裝置可將轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械能加到負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是:串級(jí)調(diào)速的效率較高，節(jié)能效果較好:調(diào)速裝置的容量與調(diào)速范圍成正比，范圍小時(shí)裝置容量也小，成本較低。缺點(diǎn):可控硅串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)低，產(chǎn)生高次諧波，對(duì)電網(wǎng)有污染:內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速需采用特制的內(nèi)反饋繞線式電機(jī)，需對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造。串級(jí)調(diào)速適用于調(diào)速范圍不大(70%～95%)的繞線式異步電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。
(3)定子調(diào)壓調(diào)速的原理:它通過(guò)改變加在異步電動(dòng)機(jī)定子端的電壓，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化，其轉(zhuǎn)速也將改變。優(yōu)點(diǎn)是:線路簡(jiǎn)單，運(yùn)行比較可靠; 調(diào)壓裝置體積小;使用維護(hù)較簡(jiǎn)單;便于自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程操作。缺點(diǎn)是:低速時(shí)轉(zhuǎn)差功率損耗大;效率低;調(diào)速特性軟;產(chǎn)生高次諧波;對(duì)電網(wǎng)有污染;對(duì)電機(jī)有影響。適用于大容量繞線式異步電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。
(4)液力耦合器的調(diào)速原理:液力耦合器適用于大功率、高轉(zhuǎn)速的鼠籠式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。液力耦合器是通過(guò)油在泵輪(電動(dòng)機(jī)側(cè))和渦輪(負(fù)載側(cè))中的循環(huán)流動(dòng)，泵輪將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油的動(dòng)能和勢(shì)能，而渦輪則將油的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械能實(shí)現(xiàn)功率的傳遞，通過(guò)勺管調(diào)節(jié)油的循環(huán)量來(lái)調(diào)節(jié)渦輪的轉(zhuǎn)速。液力耦合器安裝在電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間。可在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)是:功率適應(yīng)范圍大，可以滿足從幾十至幾千乃至上萬(wàn)Kw的不同功率的需要;結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單;改造投資不算太大;可空載起動(dòng);不產(chǎn)生高次諧波;對(duì)電網(wǎng)無(wú)影響;調(diào)速范圍為20%～97%;可以隔離電動(dòng)機(jī)和泵的振動(dòng);緩和沖擊。缺點(diǎn)是:有滑差損失;屬低效調(diào)速裝置;滑差功率損耗變?yōu)橛偷臒崃渴褂蜏厣撸枰鋮s設(shè)備;低速、小功率的液力耦合器造價(jià)較高;且效率低，效率與轉(zhuǎn)差成反比;液力耦合器達(dá)不到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;調(diào)速精度差，穩(wěn)定性差。
1.3 風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)負(fù)載變頻調(diào)速節(jié)能原理
變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能的最佳方案。根據(jù)流體理論，離心式風(fēng)機(jī)水泵的軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方函數(shù)關(guān)系。據(jù)流體機(jī)械的公式有:Q2=Q1(n2/n1)，H2=H1(n2/n1)2 ，P2=P1(n2/n1)3。即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，由此我們可推算出表1所示的結(jié)果。
當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需風(fēng)量下降為80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率降為51%;當(dāng)所需風(fēng)量為而額定風(fēng)量的50%時(shí)，而軸功率降為13%。
表1為速度降低后的理論節(jié)能效果。(N1和N2為轉(zhuǎn)速，P1和P2為軸功率。)

表1
2、變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高，在許多領(lǐng)域變頻調(diào)速應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這里只列舉主要的幾方面應(yīng)用。
2.1 變頻器在冶金行業(yè)的節(jié)能改造
冶金企業(yè)是我國(guó)的能耗大戶(hù)。因此在軋機(jī)輥道、轉(zhuǎn)爐、圓盤(pán)給料機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、連鑄拉矯機(jī)、結(jié)晶器振動(dòng);精煉爐、電渣;轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、氧槍升降、抽煙機(jī);高爐卷?yè)P(yáng)、送風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī);加熱爐鼓風(fēng)機(jī)、化氨水泵;燒結(jié)引風(fēng)機(jī)、熔煉鉛鋅冷卻泵;制氧機(jī)、冷卻泵、清水泵、降溫排風(fēng)機(jī)等廣泛應(yīng)用。冶金企業(yè)使用的風(fēng)機(jī)泵類(lèi)非常多，僅就軋鋼均熱爐為例，其基本的生產(chǎn)過(guò)程可分為四個(gè)部分:裝入、加熱、保溫、出鋼。加熱升溫期一般將熱負(fù)荷給定最大，這時(shí)熱風(fēng)以最大量供給爐膛;保溫期間，風(fēng)量減少約為加熱期的60%;出鋼期間風(fēng)量約為加熱期的30%;裝入鋼坯期間風(fēng)量為零。根據(jù)均熱爐這一工況，可見(jiàn)對(duì)其風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻改造，可以大幅度的節(jié)約電能。可使裝鋼后預(yù)熱器保證足夠的溫度，從而還節(jié)約了1%～7%煤氣燃料，減少了氧化燒損，改善了鋼錠均熱質(zhì)量。
武鋼軋板廠選用變頻器改造3號(hào)橫剪前、后輥道。其中前輥道使用的是3kVA變頻器，后輥道使用的是30kVA變頻器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，系統(tǒng)屬于重載頻繁起、制動(dòng)，增加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。剪切時(shí)采用低頻，可一次停車(chē)準(zhǔn)確到位，提高了剪切精度，降低了能耗。而在傳送鋼板時(shí)，采用高速，不影響生產(chǎn)效率。由于變頻調(diào)速可以使電機(jī)在設(shè)置好的V/F曲線上平滑調(diào)速和起動(dòng)、制動(dòng)，從而降低了對(duì)系統(tǒng)的沖擊，提高了設(shè)備的作業(yè)率，取得了令人滿意的效果。
2.2 變頻器在礦山的節(jié)能改造
主要應(yīng)用于礦井通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、抽水泵、提升機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、洗煤機(jī)、選礦廠、煤廠風(fēng)機(jī)等設(shè)備。
在礦山、冶金、石化等工業(yè)中，大量使用風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)和壓縮機(jī)。這些機(jī)械一般用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率都在幾百Kw以上，有的高達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)Kw，消耗的電能非常大。但大部分都不是常年工作在額定功率，經(jīng)常只有50%~70%甚至更低的輸出量。目前這類(lèi)機(jī)械大多還使用恒速交流傳動(dòng)，用擋板、閥門(mén)或空放回流的辦法進(jìn)行調(diào)節(jié)，損失大量電能。用變頻調(diào)速取代能源浪費(fèi)較為嚴(yán)重的擋風(fēng)板調(diào)節(jié)風(fēng)量方式，可減少風(fēng)機(jī)振動(dòng)消除大電機(jī)起動(dòng)的電流沖擊，避免機(jī)械振蕩，降低設(shè)備故障率，減輕設(shè)備維修工作量，易于實(shí)現(xiàn)微機(jī)或風(fēng)量循環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。
2.3 變頻器在空調(diào)的應(yīng)用
變頻空調(diào)是世界空調(diào)消費(fèi)的流行趨勢(shì)。與普通空調(diào)相比，變頻空調(diào)有著舒適、靜音、恒溫、高效運(yùn)轉(zhuǎn)、使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)勢(shì)。據(jù)了解，目前在日本，變頻空調(diào)數(shù)量已占家用空調(diào)總數(shù)的95%以上。變頻空調(diào)把50Hz的固定電網(wǎng)頻率變換為20～140Hz的變化頻率，調(diào)節(jié)空調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速。運(yùn)用變頻控制技術(shù)的變頻空調(diào)，可根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)選擇制熱、制冷和除濕運(yùn)轉(zhuǎn)方式，使居室在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到所需要的溫度，并在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了快速、節(jié)能和舒適控溫效果。同時(shí)保護(hù)電動(dòng)機(jī)及負(fù)載設(shè)備免受瞬時(shí)啟動(dòng)的沖擊，延長(zhǎng)其工作壽命，還提高電動(dòng)機(jī)及負(fù)載設(shè)備的工作精確度，使用變頻空調(diào)節(jié)能省電的至少35%，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家指出，變頻是當(dāng)前空調(diào)實(shí)現(xiàn)節(jié)能最有效、最成熟的技術(shù)途徑。在電荒與空調(diào)大面積使用重疊的夏季，使用變頻空調(diào)可謂利國(guó)利民。
2.4 變頻器在建材行業(yè)的節(jié)能改造
我國(guó)是水泥工業(yè)大國(guó)，水泥生產(chǎn)過(guò)程大量使用交流電機(jī)，有許多應(yīng)用場(chǎng)合需要通過(guò)改變轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能和改善工藝的需求，比如回轉(zhuǎn)窯拖動(dòng)、旋窯、立窯排風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、集塵系統(tǒng)、球磨機(jī)、空氣壓縮機(jī)、原料礦石的破碎、堆取、研磨、均化，旋窯的驅(qū)動(dòng)、窯尾風(fēng)機(jī)、窯頭風(fēng)機(jī)、蓖冷風(fēng)機(jī)的調(diào)速，煤粉制備等等都可以通過(guò)合理的應(yīng)用變頻調(diào)速達(dá)到節(jié)能的目的。
2.5 變頻器在石化行業(yè)、電力、熱力行業(yè)、供水行業(yè)、紡織化纖業(yè)的節(jié)能改造
變頻器在石化行業(yè)主要應(yīng)用于注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加壓泵、輸油泵、抽油機(jī)、深井油泵、供熱鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等。在電力、熱力行業(yè)主要應(yīng)用于鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵、疏水泵、灰漿泵、送風(fēng)機(jī)、輸煤、排渣系統(tǒng)、鍋爐給粉系統(tǒng)、爐排調(diào)速等。在供水行業(yè)主要應(yīng)用于輸水泵、加壓泵、深井泵、恒壓供水系統(tǒng)、軟水供水系統(tǒng)、自動(dòng)給水系統(tǒng)、消防供水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)等。在紡織化纖業(yè)主要應(yīng)用于車(chē)間空調(diào)系統(tǒng)、調(diào)濕機(jī)、送風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷卻水塔、清水泵、深井泵、鍋爐風(fēng)機(jī)、染整機(jī)等設(shè)備。
3、結(jié)論
綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用所取得的節(jié)能效果是顯而易見(jiàn)的。國(guó)家經(jīng)貿(mào)委已將變頻調(diào)速被列入重點(diǎn)實(shí)施的10項(xiàng)資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造工程之一。《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》明文規(guī)定，將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。
“逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)能和電力電子技術(shù)”、“提高電能利用率”，因此，利用變頻調(diào)速技術(shù)是解決目前缺電問(wèn)題的最佳手段。 

 
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