变频技术在节能工程上的应用

 

我们日常生产和生活所使用的电源，是固定频率（50Hz）的交流电。变频技术，就是通过技术手段，来改变用电设备的供电频率，进而达到控制设备输出功率的目的。变频技术随着微电子学、电力电子、计算机和自动控制理论等的发展，已经进入了一个崭新的时代,完全成熟的技术，也使其应用进入了一个新的高潮。它是通过变频调速改变轴输出功率，达到减少输入功率节省电能的目的。是感应式异步电动机节能的重要技术手段之一。  
    自1956年世界上***个晶闸管诞生到现在历时近半个世纪，随着电子技术的飞速发展，变频控制器从控制模块、功率输出和控制软件都已完全成熟，在提高性能的同时，功能上也有较大的扩展，很多专用变频设备附带简易PLC功能，再加上产品价格的降低，为变频器的应用打开了广阔的市场。 
    对于异步电动机通过调速达到节能目的方法很多，如：调压调速,又称为滑差调速；变极对数调速和品闸管串极调速等等，根据不同的负载性质，有针对性的选择。在各种调速节能中，利用变频调速，是异步电动机调***果***好、***成熟、***有发展前途的节能技术。 
一、常用的变频器分为低、中、高压变频器
    1 、低压变频器是指400V工控变频器。电子技术中将交流变成直流称顺变，也称整流。交流变直流的变频器通常称整流器。将直流变为频率可调的交流电流就称逆变。把工频电源（50Hz）交流变成任意频率、任意电压的逆变装置称为变频器。从其电路的结构上分为交—直—交和交—交变频器。交—直—交变频器按照交流电机电源电压的控制方法的不同，分为电压型和电流型两种。 
    改变变频器的输出电压或输出电流有二种不同的方法，即PAM脉冲幅值调制控制和PWM脉冲宽度调制控。 
    PAM因为受晶闸管换流时间的限制不能工作在高频下，PWM输出脉冲的幅值恒定，通过控制逆变器输出电压的导***冲频率和宽度来同时改变输出频率和电压，运用晶体管、可关断晶闸管具有高速开关特性和自关断特性，来做逆变器开关元件，采用PWM方式变得更容易实现，为此大多数逆变器都采用PWM控制方式。
2、中、高压变频器：所谓中高压变频器，指应用在600V以上的至10KV运转调速设备上的变频控制器。中压有600V、1000V。3000V、6000V和10KV等属于中高压变频器。因为其输入输出电压等级较高，在结构上必需有整套高压投入切换设备，采用功率单元串联叠加的高压输出方式，借助计算机控制，经高压母线、断路器移相变压器、功率单元、控制器等组成完整的高压变频控制系统。 
    交流变频调速控制器是集电力电子、自动控制、微电子学、电机学等各种技术于一身的高新技术，变频的调速技术是现代IT产业***技术，涉及到光纤通讯、计算机、数据并行处理等是多种高新技术的结合，与传统行业耗能大、应用***广泛的电力拖动、风机、水泵等多种行业应用异步电动机的设备，进行节能改造实现***结合。
二、变频器控制对像： 
    变频器应用，可分为两大类：一种是用于传动调速，另一种是各种静止电源（静止电源暂且不讲）。变频传动调速，其应用目的就是通过对电机调速来达到节约能源。控制对象就是在动力设备上实现电—机转换的电动机。这是由感应式异步电动机的性能和特征决定，其次是由于所带的负载对电机调速的负荷适应性所决定。由电机转速的数学公式我们知道，电机的实际转速，主要取决于电机定子的旋转磁场（ n1=t＊f/p） 。对一个绕制好的电机，其旋转磁场转速完全取决供电频率，t 为时间常数，P为电机的极对数，n1正比电源频率f，从电机的结构上我们看到定、转子之间没有任何电的连接，基于磁场感应和机械惯性，转子的转速和定子旋转磁场的转速总是不同步，差一个转差数（一般为n1的1%——1.8%,）称为转差率S，由此可见电机的转速也正比于电源的频率。n2=t＊f（1-s）/p从异步电动机变频时机械特性曲线中，我们不难看出转速的变化对电机的转矩影响较小，对于传动机械功率要求完全可以满足。变频调速控制是在降低输出频率的同时输出电压也相应降低，转矩正比输出电压。转矩也会有些减少。这种纯电气调速系统是人为地改变电动机的机械特性来获得不同的转速，直接与拖动机械相连接不需原机械设备做任何调整，这对于节能改造成本，保持原有机械性能都大有好处。变频传动调速的特点是： 
    1 、不用改动原有设备包括电机本身； 
    2、可实现无级调速，满足传动机械要求； 
    3、变频器软启、软停功能，可以避免启动电流冲击对电网的不良影响，减少电源容量的同时还可以减少机械惯动量，减少机械损耗； 
    4、不受电源频率的影响，可以开环、闭环手动/自动控制； 
    5、低速时，定转矩输出、低速过载能力较好； 
    6、电机的功率因数随转速***功率增大而提高。使用效果较好。
三、风机、水泵节能-变频控制 
    机电设备配合设计原则：电机的***大功率必须满足负载下的机械功率和转矩，对于不同的负载，***大值并非时时刻刻都发生、负载的变化是非线性的，而电机的输出功率却是恒定的，这就意味着在非***大负载时电机输出了相当一部分多余功率，电能也就白白浪费掉了。风机、水泵类就是较典型例子。 
    风机、水泵类风量和流量的控制在过去很少采用转速控制方式，基本上都是由鼠笼型异步电动机拖动，进行恒速运转，当需要改变风量或流量时，事实上都采用调节挡风板或节流阀。这种控制虽然简单易行，能满足流量要求，但对电机来讲，从节省能源的角度来看是非常不经济的。生产中很容易检测出来。 
    这类设备一般都是长时间运行，甚至很久不停机。在实际检测中发现，除在极短时间流量***大值外，近90％时间运行在中等或较低负荷状态，总用电量至少有40％以上被浪费掉。采用变频调速控制，对风机、水泵类机械进行转速控制来调节流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有非常重要意义。
四、风机、水泵的节能方法
    从流量控制原理上讲，风机、水泵的结构和工作原理基本相同. 
1、具体测试某工厂炉底风机散热控制系统，冶炼炉根据不同材料、需要不同的炉底冷却温度，设计满足***大冷却风量设计为四台18.5KW4极叶轮式风机，全功率运转，但用***大冷却风量的概率极低。冶炼常用几种材料，四台风机对开风量过大；对开两台时，达不到冷却要求；对开一对再侧开一台，冷却不均、无法满足工艺要求；原设计4台对开风机靠调节挡风板可满足冷却要求，但对电机来讲，浪费电能。风板全开时，运行电流24A，全关闭时22A，输入功率从17.0KW—18.5KW变化，节电率不足8％。针对这一特殊要求制定方案，对其中两台对开电机进行开环变频调速控制，配合两台全速风机，即满足不同材料的温控要求，又能节约电能。按照这一方案进行改造后，节电效果非常明显。针对其中一种材料需固定频率控制进行冷却,几个月才换一次，设定频率在25—35之间，完全满足冷却要求。工频下运行时一台18.5KW风机（经变频器输出），每小时耗电为11.9度/小时，日耗电量为：285.6度/24小时。在正常运行时根据不同材料的温度要求，设定频率分别为：25Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz和45 Hz。运行测定参数如下： 
    设定频率（Hz） 运行电流（A） 负载率 输入功率（Pin[1]） 24小时耗电量 （KWh） 与工频下输入功率比较：节电率 
    需要指出的是：变频器当输出频率降低时，输出电压也相应降低，输入功率明显减少，对应频率降低时电压降低电机不会有温升，若频率不变时电压降低至浮动电压下限值时，电机就会有温升。  
2、水泵节电：同风机原理很相近。以某酒店750TRT***空调冷水机组水系统90KW冷冻泵和55KW冷却泵为例：主机制冷是根据温度的变化而工作，是非线性负荷，而水泵电机基本上是线性恒功率输出。1台55KW冷却水泵靠调整阀门来改变流量，虽然能满足主机运行要求，但对于电机来讲节电意义不大，阀门的全开和全闭，电流从107A—97A之间变化，平均节电不足7％。通过改造采用温度控制为主，压力控制为铺进行闭环变频控制水泵电机，水泵电机平均节电率都在30％以上；90KW冷冻水泵电机靠调节阀门电流在163—148A之间变化，平均节电不足6％，经闭环控制变频调速改造后，节电率平均也在30％以上。为什么会有这么大节电空间呢，因为***空调系统设计时的***大容量是以***、气温、空间散热三项极限指标为依据计算的（即******大、气温***高、空间散热***差），平时出现这种情况的概率极低，从经验上讲不到10%，空调系统大部分运行时间都在中、低负荷状态，空调主机的负荷曲线是非线性的，而水系统的水泵负荷是线性恒功率的，以满足主机的***大负荷为标准。这样在主机非***大负荷时水泵就必然存在着电能浪费空间。通过变频调速控制使水泵电机的负载曲线符合或接近空调主机的负载曲线。 
3、高压变频控制传动调速控制设备都是在3KV以上大容量电机，一般都在几百KW到几千KW，负载率大于0.5,节电效率较低压变频控制略低，在18—25%左右，电机容量大耗电也多，虽然节电率较低，但用电基数大，也是非常可观，高压变频设备技术复杂设备体积大，成本较高，操作必须***技术人员，但整体效益还是很可观的。
五、变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析：
    显性效益就是指节电效益。变频控制传动调速对于负载性质和负载率的不同，节电率也是不同，低压变频控制设备，一般负载率在0.5左右时，节电率在20—47％左右。比如定量泵注塑机、排污填水池电机、给氧风机等等，空调水泵基本上平均节电率都在25—60％左右。低压设备变频调速改造***少、***快，***回报期基本上在一年左右。 
隐性效益主要体现：
1、实现了电机的软启软停，消除电机启动电流对电网的冲击，减少了启动电流的线路损耗； 
2、消除了电机因启停所产生的惯动量对设备的机械冲击，大大降低了机械磨损，减少设备的维修，延长了设备的使用寿命； 
3、空调水泵的软启、软停克服了原来停机时的水槌现象。
    除上述的有利一面，同时也存在一些问题。任何事物都不是***的，都要辨证去看去分析，低压变频器输出波型为脉冲形式，会产生一些干扰，实际运行中单台干扰不严重，以30KW容量为例，干扰福射基本在10米之内，在设计电路中加装陷波电路或磁环或陷波线圈就可以将干扰减少到***少，一般使用时尽量远离电脑等怕干扰设备，对于多台集中安装时安装位置要尽量拉开距离，还需专门加装陷波电路屏蔽接地，将干扰减少到***低。 
    高压变频设备干扰性很小，控制技术较高，输出电压波形近似正弦波形，但设备体积较大，安装调试都比较复杂。 
六、变频技术目前市场应用情况 
    经市场调查，2000年前变频器使用率不足10％，到二零零七年上半年增加超过35%，很多生产商生产的风机、水泵类的电机控制系统都配装了变频启动系统，说明这项节能技术越来越被人们所认识。随着市场占有率的不断提高，成本价格较前些年大幅下降。低压变频器分国产、合资、原装三大种类，完全是一个通用的工控产品。合资产品相对价格低质量好，性价比合理。从使用情况看，只要不超负荷运行，很少发生故障。从设计使用上看，节能改造设计水平参差不齐，要想将节能改造工程做好，需要***技术人员把关。用电设备能否节电，不能不分情况一概而论，不是所有用电设备都有节电空间，具体情况必须具体分析，注意那些将某一特殊用电设备的节电率说成普遍的所有用电设备都能达到的情况出现。节电率在节电工程中是一项非常重要的指标，但***不是***的指标。工程改造前后电机的功率因数、温升及效率等都是不可忽略的运行数据。不同的***节电率、使用寿命、性能都有不同，要科学分析，科***用。 
    我国工业技术虽然有了较大的发展，但目前仍是处于一个工业化中期社会，技术发展还不平衡，在很多企业生产中，表现出来***明显的特征依旧是能源消耗多，生产效率较低，产品质量参差不齐；能效比不高，陈、旧、老设备在国民生产中仍旧占较大的比重。变频调速的应用，就是要改造这些设备，以达到节约能源的目的。有***、省、市***的大力支持，有成熟的技术基础理论，纵观节能改造市场，潜力巨大。节约能源，保护环境，造福子孙，利国利民。