- 淺談變頻技術(shù)在節(jié)能工程上的應(yīng)用
- 通過(guò)控制逆變器輸出電壓
- 通過(guò)交流變頻調(diào)速控制器
我們?nèi)粘Ia(chǎn)和生活所使用的電源,是固定頻率(50Hz)的交流電。變頻技術(shù),就是通過(guò)技術(shù)手段,來(lái)改變用電設(shè)備的供電頻率,進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論等的發(fā)展,已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代,完全成熟的技術(shù),也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。它是通過(guò)變頻調(diào)速改變軸輸出功率,達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。是感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)手段之一。
自1956年世界上第一個(gè)晶閘管誕生到現(xiàn)在歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì),隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,變頻控制器從控制模塊、功率輸出和控制軟件都已完全成熟,在提高性能的同時(shí),功能上也有較大的擴(kuò)展,很多專用變頻設(shè)備附帶簡(jiǎn)易PLC功能,再加上產(chǎn)品價(jià)格的降低,為變頻器的應(yīng)用打開(kāi)了廣闊的市場(chǎng)。
對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)調(diào)速達(dá)到節(jié)能目的方法很多,如:調(diào)壓調(diào)速,又稱為滑差調(diào)速;變極對(duì)數(shù)調(diào)速和品閘管串極調(diào)速等等,根據(jù)不同的負(fù)載性質(zhì),有針對(duì)性的選擇。在各種調(diào)速節(jié)能中,利用變頻調(diào)速,是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速效果最好、最成熟、最有發(fā)展前途的節(jié)能技術(shù)。
一、常用的變頻器分為低、中、高壓變頻器。
1 、低壓變頻器是指400V工控變頻器。電子技術(shù)中將交流變成直流稱順變,也稱整流。交流變直流的變頻器通常稱整流器。將直流變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電流就稱逆變。把工頻電源(50Hz)交流變成任意頻率、任意電壓的逆變裝置稱為變頻器。從其電路的結(jié)構(gòu)上分為交—直—交和交—交變頻器。交—直—交變頻器按照交流電機(jī)電源電壓的控制方法的不同,分為電壓型和電流型兩種。
改變變頻器的輸出電壓或輸出電流有二種不同的方法,即PAM脈沖幅值調(diào)制控制和PWM脈沖寬度調(diào)制控。
PAM因?yàn)槭芫чl管換流時(shí)間的限制不能工作在高頻下,PWM輸出脈沖的幅值恒定,通過(guò)控制逆變器輸出電壓的導(dǎo)通脈沖頻率和寬度來(lái)同時(shí)改變輸出頻率和電壓,運(yùn)用晶體管、可關(guān)斷晶閘管具有高速開(kāi)關(guān)特性和自關(guān)斷特性,來(lái)做逆變器開(kāi)關(guān)元件,采用PWM方式變得更容易實(shí)現(xiàn),為此大多數(shù)逆變器都采用PWM控制方式。
2、中、高壓變頻器:所謂中高壓變頻器,指應(yīng)用在600V以上的至10KV運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)速設(shè)備上的變頻控制器。中壓有600V、1000V。3000V、6000V和10KV等屬于中高壓變頻器。因?yàn)槠漭斎胼敵鲭妷旱燃?jí)較高,在結(jié)構(gòu)上必需有整套高壓投入切換設(shè)備,采用功率單元串聯(lián)疊加的高壓輸出方式,借助計(jì)算機(jī)控制,經(jīng)高壓母線、斷路器移相變壓器、功率單元、控制器等組成完整的高壓變頻控制系統(tǒng)。
交流變頻調(diào)速控制器是集電力電子、自動(dòng)控制、微電子學(xué)、電機(jī)學(xué)等各種技術(shù)于一身的高新技術(shù),變頻的調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代IT產(chǎn)業(yè)尖端技術(shù),涉及到光纖通訊、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)并行處理等是多種高新技術(shù)的結(jié)合,與傳統(tǒng)行業(yè)耗能大、應(yīng)用最廣泛的電力拖動(dòng)、風(fēng)機(jī)、水泵等多種行業(yè)應(yīng)用異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)備,進(jìn)行節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合。
二、變頻器控制對(duì)象
變頻器應(yīng)用,可分為兩大類:一種是用于傳動(dòng)調(diào)速,另一種是各種靜止電源(靜止電源暫且不講)。變頻傳動(dòng)調(diào)速,其應(yīng)用目的就是通過(guò)對(duì)電機(jī)調(diào)速來(lái)達(dá)到節(jié)約能源??刂茖?duì)象就是在動(dòng)力設(shè)備上實(shí)現(xiàn)電—機(jī)轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)。這是由感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)的性能和特征決定,其次是由于所帶的負(fù)載對(duì)電機(jī)調(diào)速的負(fù)荷適應(yīng)性所決定。由電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式我們知道,電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,主要取決于電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)( n1=t*f/p) 。
對(duì)一個(gè)繞制好的電機(jī),其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速完全取決供電頻率,t 為時(shí)間常數(shù),P為電機(jī)的極對(duì)數(shù),n1正比電源頻率f,從電機(jī)的結(jié)構(gòu)上我們看到定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有任何電的連接,基于磁場(chǎng)感應(yīng)和機(jī)械慣性,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速總是不同步,差一個(gè)轉(zhuǎn)差數(shù)(一般為n1的1%——1.8%,)稱為轉(zhuǎn)差率S,由此可見(jiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也正比于電源的頻率。n2=t*f(1-s)/p從異步電動(dòng)機(jī)變頻時(shí)機(jī)械特性曲線中,我們不難看出轉(zhuǎn)速的變化對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響較小,對(duì)于傳動(dòng)機(jī)械功率要求完全可以滿足。變頻調(diào)速控制是在降低輸出頻率的同時(shí)輸出電壓也相應(yīng)降低,轉(zhuǎn)矩正比輸出電壓。轉(zhuǎn)矩也會(huì)有些減少。這種純電氣調(diào)速系統(tǒng)是人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性來(lái)獲得不同的轉(zhuǎn)速,直接與拖動(dòng)機(jī)械相連接不需原機(jī)械設(shè)備做任何調(diào)整,這對(duì)于節(jié)能改造成本,保持原有機(jī)械性能都大有好處。變頻傳動(dòng)調(diào)速的特點(diǎn)是:
1 、不用改動(dòng)原有設(shè)備包括電機(jī)本身;
2、可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,滿足傳動(dòng)機(jī)械要求;
3、變頻器軟啟、軟停功能,可以避免啟動(dòng)電流沖擊對(duì)電網(wǎng)的不良影響,減少電源容量的同時(shí)還可以減少機(jī)械慣動(dòng)量,減少機(jī)械損耗;
4、不受電源頻率的影響,可以開(kāi)環(huán)、閉環(huán)手動(dòng)/自動(dòng)控制;
5、低速時(shí),定轉(zhuǎn)矩輸出、低速過(guò)載能力較好;
6、電機(jī)的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增高功率增大而提高。使用效果較好。
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三、風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能-----變頻控制
機(jī)電設(shè)備配合設(shè)計(jì)原則:電機(jī)的最大功率必須滿足負(fù)載下的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩,對(duì)于不同的負(fù)載,最大值并非時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生、負(fù)載的變化是非線性的,而電機(jī)的輸出功率卻是恒定的,這就意味著在非最大負(fù)載時(shí)電機(jī)輸出了相當(dāng)一部分多余功率,電能也就白白浪費(fèi)掉了。風(fēng)機(jī)、水泵類就是較典型例子。
風(fēng)機(jī)、水泵類風(fēng)量和流量的控制在過(guò)去很少采用轉(zhuǎn)速控制方式,基本上都是由鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)需要改變風(fēng)量或流量時(shí),事實(shí)上都采用調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或節(jié)流閥。這種控制雖然簡(jiǎn)單易行,能滿足流量要求,但對(duì)電機(jī)來(lái)講,從節(jié)省能源的角度來(lái)看是非常不經(jīng)濟(jì)的。生產(chǎn)中很容易檢測(cè)出來(lái)。
這類設(shè)備一般都是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,甚至很久不停機(jī)。在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn),除在極短時(shí)間流量最大值外,近90%時(shí)間運(yùn)行在中等或較低負(fù)荷狀態(tài),總用電量至少有40%以上被浪費(fèi)掉。采用變頻調(diào)速控制,對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來(lái)調(diào)節(jié)流量的方法,對(duì)節(jié)約能源,提高經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要意義。
我們?nèi)粘Ia(chǎn)和生活所使用的電源,是固定頻率(50Hz)的交流電。變頻技術(shù),就是通過(guò)技術(shù)手段,來(lái)改變用電設(shè)備的供電頻率,進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論等的發(fā)展,已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代,完全成熟的技術(shù),也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。它是通過(guò)變頻調(diào)速改變軸輸出功率,達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。是感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)手段之一。
自1956年世界上第一個(gè)晶閘管誕生到現(xiàn)在歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì),隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,變頻控制器從控制模塊、功率輸出和控制軟件都已完全成熟,在提高性能的同時(shí),功能上也有較大的擴(kuò)展,很多專用變頻設(shè)備附帶簡(jiǎn)易PLC功能,再加上產(chǎn)品價(jià)格的降低,為變頻器的應(yīng)用打開(kāi)了廣闊的市場(chǎng)。
對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)調(diào)速達(dá)到節(jié)能目的方法很多,如:調(diào)壓調(diào)速,又稱為滑差調(diào)速;變極對(duì)數(shù)調(diào)速和品閘管串極調(diào)速等等,根據(jù)不同的負(fù)載性質(zhì),有針對(duì)性的選擇。在各種調(diào)速節(jié)能中,利用變頻調(diào)速,是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速效果最好、最成熟、最有發(fā)展前途的節(jié)能技術(shù)。
四、風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能方法
從流量控制原理上講,風(fēng)機(jī)、水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。
1、具體測(cè)試某工廠爐底風(fēng)機(jī)散熱控制系統(tǒng),冶煉爐根據(jù)不同材料、需要不同的爐底冷卻溫度,設(shè)計(jì)滿足最大冷卻風(fēng)量設(shè)計(jì)為四臺(tái)18.5KW4極葉輪式風(fēng)機(jī),全功率運(yùn)轉(zhuǎn),但用最大冷卻風(fēng)量的概率極低。冶煉常用幾種材料,四臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)開(kāi)風(fēng)量過(guò)大;對(duì)開(kāi)兩臺(tái)時(shí),達(dá)不到冷卻要求;對(duì)開(kāi)一對(duì)再側(cè)開(kāi)一臺(tái),冷卻不均、無(wú)法滿足工藝要求;原設(shè)計(jì)4臺(tái)對(duì)開(kāi)風(fēng)機(jī)靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板可滿足冷卻要求,但對(duì)電機(jī)來(lái)講,浪費(fèi)電能。風(fēng)板全開(kāi)時(shí),運(yùn)行電流24A,全關(guān)閉時(shí)22A,輸入功率從17.0KW—18.5KW變化,節(jié)電率不足8%。
針對(duì)這一特殊要求制定方案,對(duì)其中兩臺(tái)對(duì)開(kāi)電機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速控制,配合兩臺(tái)全速風(fēng)機(jī),即滿足不同材料的溫控要求,又能節(jié)約電能。按照這一方案進(jìn)行改造后,節(jié)電效果非常明顯。針對(duì)其中一種材料需固定頻率控制進(jìn)行冷卻,幾個(gè)月才換一次,設(shè)定頻率在25—35之間,完全滿足冷卻要求。工頻下運(yùn)行時(shí)一臺(tái)18.5KW風(fēng)機(jī)(經(jīng)變頻器輸出),每小時(shí)耗電為11.9度/小時(shí),日耗電量為:285.6度/24小時(shí)。在正常運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同材料的溫度要求,設(shè)定頻率分別為:25Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz和45 Hz。運(yùn)行測(cè)定參數(shù)如下:
需要指出的是:變頻器當(dāng)輸出頻率降低時(shí),輸出電壓也相應(yīng)降低,輸入功率明顯減少,對(duì)應(yīng)頻率降低時(shí)電壓降低電機(jī)不會(huì)有溫升,若頻率不變時(shí)電壓降低至浮動(dòng)電壓下限值時(shí),電機(jī)就會(huì)有溫升。
2、水泵節(jié)電:同風(fēng)機(jī)原理很相近。以某酒店750TRT中央空調(diào)冷水機(jī)組水系統(tǒng)90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例:主機(jī)制冷是根據(jù)溫度的變化而工作,是非線性負(fù)荷,而水泵電機(jī)基本上是線性恒功率輸出。1臺(tái)55KW冷卻水泵靠調(diào)整閥門(mén)來(lái)改變流量,雖然能滿足主機(jī)運(yùn)行要求,但對(duì)于電機(jī)來(lái)講節(jié)電意義不大,閥門(mén)的全開(kāi)和全閉,電流從107A—97A之間變化,平均節(jié)電不足7%。通過(guò)改造采用溫度控制為主,壓力控制為鋪進(jìn)行閉環(huán)變頻控制水泵電機(jī),水泵電機(jī)平均節(jié)電率都在30%以上;90KW冷凍水泵電機(jī)靠調(diào)節(jié)閥門(mén)電流在163—148A之間變化,平均節(jié)電不足6%,經(jīng)閉環(huán)控制變頻調(diào)速改造后,節(jié)電率平均也在30%以上。為什么會(huì)有這么大節(jié)電空間呢,因?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的最大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項(xiàng)極限指標(biāo)為依據(jù)計(jì)算的(即人流最大、氣溫最高、空間散熱最差),平時(shí)出現(xiàn)這種情況的概率極低,從經(jīng)驗(yàn)上講不到10%,空調(diào)系統(tǒng)大部分運(yùn)行時(shí)間都在中、低負(fù)荷狀態(tài),空調(diào)主機(jī)的負(fù)荷曲線是非線性的,而水系統(tǒng)的水泵負(fù)荷是線性恒功率的,以滿足主機(jī)的最大負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)。這樣在主機(jī)非最大負(fù)荷時(shí)水泵就必然存在著電能浪費(fèi)空間。通過(guò)變頻調(diào)速控制使水泵電機(jī)的負(fù)載曲線符合或接近空調(diào)主機(jī)的負(fù)載曲線。
3、高壓變頻控制傳動(dòng)調(diào)速控制設(shè)備都是在3KV以上大容量電機(jī),一般都在幾百KW到幾千KW,負(fù)載率大于0.5,節(jié)電效率較低壓變頻控制略低,在18—25%左右,電機(jī)容量大耗電也多,雖然節(jié)電率較低,但用電基數(shù)大,也是非??捎^,高壓變頻設(shè)備技術(shù)復(fù)雜設(shè)備體積大,成本較高,操作必須專業(yè)技術(shù)人員,但整體效益還是很可觀的。
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五、變頻控制技術(shù)的顯性和隱性效益及利弊分析
顯性效益就是指節(jié)電效益。變頻控制傳動(dòng)調(diào)速對(duì)于負(fù)載性質(zhì)和負(fù)載率的不同,節(jié)電率也是不同,低壓變頻控制設(shè)備,一般負(fù)載率在0.5左右時(shí),節(jié)電率在20—47%左右。比如定量泵注塑機(jī)、排污填水池電機(jī)、給氧風(fēng)機(jī)等等,空調(diào)水泵基本上平均節(jié)電率都在25—60%左右。低壓設(shè)備變頻調(diào)速改造投資少、見(jiàn)效快,投資回報(bào)期基本上在一年左右。
隱性效益主要體現(xiàn):
1、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟軟停,消除電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊,減少了啟動(dòng)電流的線路損耗;
2、消除了電機(jī)因啟停所產(chǎn)生的慣動(dòng)量對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊,大大降低了機(jī)械磨損,減少設(shè)備的維修,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命;
3、空調(diào)水泵的軟啟、軟??朔嗽瓉?lái)停機(jī)時(shí)的水槌現(xiàn)象。
除上述的有利一面,同時(shí)也存在一些問(wèn)題。任何事物都不是絕對(duì)的,都要辨證去看去分析,低壓變頻器輸出波型為脈沖形式,會(huì)產(chǎn)生一些干擾,實(shí)際運(yùn)行中單臺(tái)干擾不嚴(yán)重,以30KW容量為例,干擾福射基本在10米之內(nèi),在設(shè)計(jì)電路中加裝陷波電路或磁環(huán)或陷波線圈就可以將干擾減少到最少,一般使用時(shí)盡量遠(yuǎn)離電腦等怕干擾設(shè)備,對(duì)于多臺(tái)集中安裝時(shí)安裝位置要盡量拉開(kāi)距離,還需專門(mén)加裝陷波電路屏蔽接地,將干擾減少到最低。
高壓變頻設(shè)備干擾性很小,控制技術(shù)較高,輸出電壓形近似正弦波形,但設(shè)備體積較大,安裝調(diào)試都比較復(fù)雜。
六、變頻技術(shù)目前市場(chǎng)應(yīng)用情況
經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查,2000年前變頻器使用率不足10%,到二零零七年上半年增加超過(guò)35%,很多生產(chǎn)商生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)、水泵類的電機(jī)控制系統(tǒng)都配裝了變頻啟動(dòng)系統(tǒng),說(shuō)明這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)越來(lái)越被人們所認(rèn)識(shí)。隨著市場(chǎng)占有率的不斷提高,成本價(jià)格較前些年大幅下降。低壓變頻器分國(guó)產(chǎn)、合資、原裝三大種類,完全是一個(gè)通用的工控產(chǎn)品。合資產(chǎn)品相對(duì)價(jià)格低質(zhì)量好,性價(jià)比合理。從使用情況看,只要不超負(fù)荷運(yùn)行,很少發(fā)生故障。從設(shè)計(jì)使用上看,節(jié)能改造設(shè)計(jì)水平參差不齊,要想將節(jié)能改造工程做好,需要專業(yè)技術(shù)人員把關(guān)。用電設(shè)備能否節(jié)電,不能不分情況一概而論,不是所有用電設(shè)備都有節(jié)電空間,具體情況必須具體分析,注意那些將某一特殊用電設(shè)備的節(jié)電率說(shuō)成普遍的所有用電設(shè)備都能達(dá)到的情況出現(xiàn)。節(jié)電率在節(jié)電工程中是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo),但絕對(duì)不是唯一的指標(biāo)。工程改造前后電機(jī)的功率因數(shù)、溫升及效率等都是不可忽略的運(yùn)行數(shù)據(jù)。不同的節(jié)電設(shè)備節(jié)電率、使用壽命、性能都有不同,要科學(xué)分析,科學(xué)運(yùn)用。
我國(guó)工業(yè)技術(shù)雖然有了較大的發(fā)展,但目前仍是處于一個(gè)工業(yè)化中期社會(huì),技術(shù)發(fā)展還不平衡,在很多企業(yè)生產(chǎn)中,表現(xiàn)出來(lái)最明顯的特征依舊是能源消耗多,生產(chǎn)效率較低,產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊;能效比不高,陳、舊、老設(shè)備在國(guó)民生產(chǎn)中仍舊占較大的比重。變頻調(diào)速的應(yīng)用,就是要改造這些設(shè)備,以達(dá)到節(jié)約能源的目的。有國(guó)家、省、市政府的大力支持,有成熟的技術(shù)基礎(chǔ)理論,縱觀節(jié)能改造市場(chǎng),潛力巨大。節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境,造福子孫,利國(guó)利民。