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| 變頻器在電機中的節能原理解析 |
| 內容簡(jiǎn)介：變頻調速之所以節能,主要在于把全速運行中電機浪費的電能節約了下來(lái)。尤其是閉環(huán)調速系統,如恒壓供水系統等,實(shí)現了按需拖動(dòng),幾乎完全消除了拖動(dòng)系統在運行過(guò)程中的浪費。這是從大的方面實(shí)現了節能,但并不等于節能潛力已經(jīng)挖掘干凈了。 |
前言
知道變頻調速的人已經(jīng)相當的普遍了,但是大多數人一提起變頻調速,總是能和節能掛起鉤來(lái)。近年來(lái),盡管我國在能源開(kāi)發(fā)方面進(jìn)展迅速,但還是跟不上需求的增長(cháng),節能問(wèn)題始終處于相當突出的位置。宣鋼煉鋼廠(chǎng)經(jīng)過(guò)多次理論考證,以及在五六號轉爐的應用，在150T轉爐除塵風(fēng)機、水泵、振動(dòng)給料采用了大量變頻器,為我國的節能事業(yè)做出一定貢獻。
一、變頻器的工作原理
我們知道,交流電動(dòng)機的同步轉速表達式位:n＝60f(1－s)/p(1)式中n為異步電動(dòng)機的轉速;f為異步電動(dòng)機的頻率;s為電動(dòng)機轉差率;p為電動(dòng)機極對數。由式(1)可知,轉速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機的轉速,當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時(shí),電動(dòng)機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機電源頻率實(shí)現速度調節的,是一種理想的高效率、高性能的調速手段,若什么時(shí)候都認為電動(dòng)機只要用了變頻器就可以節能,那就有些太牽強了。變頻器是電力電子科學(xué)的具體體現,是利用電力電子半導體器件的通斷作用來(lái)實(shí)現電力電能大功率的變換及控制的電子電路裝置,即電力電路實(shí)現電子化,可直觀(guān)地進(jìn)行控制和顯示。由于變頻器的這個(gè)優(yōu)越性,使得其適用領(lǐng)域越來(lái)越寬廣,所采用技術(shù)也不斷拓寬,同時(shí)也為追求變頻器的小型化,人們也一直在不斷和減少元器件的發(fā)熱做斗爭。由于新一代的IGBT采用了漏極-控制極新技術(shù),是集電極-射極簡(jiǎn)的飽和電壓(Ucesat)大為降低,因而采用這種新器件損耗低,有降低發(fā)熱消除損耗的效果。
380V小容量通用變頻器目前應用較為廣泛,但用電量比較大,節能效果最為顯著(zhù)的還是高壓大容量變頻器。隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的發(fā)展,作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調速技術(shù)得到了廣泛的應用,使用范圍基本上覆蓋了我國各主要行業(yè),如:電力、冶金、石油、化工、造紙等。產(chǎn)品電壓等級包括3kV、6kV和 10kV以及油田專(zhuān)用潛油電泵使用的1,600V-2,400V產(chǎn)品,基本可拖動(dòng)風(fēng)機、水泵、壓縮機等各類(lèi)負載。高壓電動(dòng)機利用高壓變頻器可以實(shí)現無(wú)級調速,既可滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝過(guò)程對電動(dòng)機調速控制的要求,又可大幅度的節約能源,降低生產(chǎn)成本。隨著(zhù)以GTO、IGBT、IGCT等為代表的自關(guān)斷器件的發(fā)展, 人們對各種適合高壓變頻的主電路拓撲結構的研究得到進(jìn)一步深入,以ＤＳＰ為代表的智能控制芯片的迅速普及,為高壓變頻調速技術(shù)應用研究也打下了堅實(shí)的基礎。高壓變頻器作為一個(gè)節約資源型的產(chǎn)品,隨著(zhù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,產(chǎn)品的不斷改進(jìn),概念的深入,市場(chǎng)的拓展,將會(huì )顯示出巨大的技術(shù)發(fā)展前景和市場(chǎng)需求量.相應地,對變頻器的節能要求也相應地提高了。
二、 變頻器的節能原理
1 變頻節能
變頻器節能主要表現在風(fēng)機、水泵的應用上。宣鋼煉鋼廠(chǎng)有大量的風(fēng)機類(lèi)水泵類(lèi)負載,這類(lèi)負載由流體力學(xué)可知,p(功率)＝Q(流量)×H(壓力),流量Q與轉速N的一次方成正比,壓力H與轉速N的平方成正比,功率P與轉速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,當要求調節流量下降時(shí),轉速N可成比例的下降,而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關(guān)系。所以當所要求的流量Q減少時(shí),可調節變頻器輸出頻率使電動(dòng)機轉速n按比例降低,轉速控制方式在低速小流量時(shí),仍可使泵機高效率運行。這時(shí),電動(dòng)機的功率p將按三次方關(guān)系大幅度地降低,比調節擋板、閥門(mén)節能 40％～50％,從而達到節電的目的。為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種生產(chǎn)機械在設計配用動(dòng)力驅動(dòng)時(shí),都留有一定的富余量。當電機不能在滿(mǎn)負荷下運行時(shí),除達到動(dòng)力驅動(dòng)要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費。風(fēng)機、泵類(lèi)等設備傳統的調速方法是通過(guò)調節入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節給風(fēng)量和給水量,其輸入功率大,且大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。當使用變頻調速時(shí),如果流量要求減小,通過(guò)降低泵或風(fēng)機的轉速即可滿(mǎn)足要求。例如: 一臺離心泵電機功率為55千瓦,當轉速下降到原轉速的4/5時(shí),其耗電量為28.16千瓦,省電48.8％,當轉速下降到原轉速的l／2時(shí),其耗電量為 6.875千瓦,省電87.5％。
2 功率因數補償節能
無(wú)功功率不但增加線(xiàn)損和設備的發(fā)熱,更主要的是功率因數的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低,大量的無(wú)功電能消耗線(xiàn)路當中,設備使用效率低下,浪費嚴重,使用變頻調速裝置后,由于變頻器內部濾波電容的作用,從而減少了無(wú)功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。
3 軟啟動(dòng)節能
電機硬啟動(dòng)對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊,而且還會(huì )對電網(wǎng)容量要求過(guò)高,啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對擋板和閥門(mén)的損害極大,對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后,利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始,最大值也不超過(guò)額定電流,減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,延長(cháng)了設備和閥門(mén)的使用壽命。節省了設備的維護費用。
三、結論
變頻調速之所以節能,主要在于把全速運行中電機浪費的電能節約了下來(lái)。尤其是閉環(huán)調速系統,如恒壓供水系統等,實(shí)現了按需拖動(dòng),幾乎完全消除了拖動(dòng)系統在運行過(guò)程中的浪費。這是從大的方面實(shí)現了節能,但并不等于節能潛力已經(jīng)挖掘干凈了。事實(shí)上,在許多場(chǎng)合,還存在著(zhù)大馬拉小車(chē)的現象,在這一方面,還大有潛力。變頻器可以省電這是不可磨滅的事實(shí),在某些情況下可以節電40%以上,但是某些情況還會(huì )比不接變頻器浪費！變頻器是通過(guò)輕負載降壓實(shí)現節能的, 拖動(dòng)轉距負載由于轉速沒(méi)有多大變化,即便是降低電壓,也不會(huì )很多,所以節能很微弱,但是用在風(fēng)機環(huán)境就不同了,當需要較小的風(fēng)量時(shí)刻,電機會(huì )降低速度,我們知道風(fēng)機的耗能跟轉速的1.7次方成正比,所以電機的轉距會(huì )急劇下降,節能效果明顯。當然,如果環(huán)境要求必須調速,變頻器節能效果還是比較明顯的。不調速的場(chǎng)合變頻器不會(huì )省電,只能改善功率因數。其實(shí),變頻器乃至電力電子產(chǎn)業(yè)實(shí)現的具體效果就是如下幾點(diǎn):1)進(jìn)一步提高電能變換效率,降低待機損耗。2) 避免電力公害,盡量減少電流諧波,提高功率因數。3)提高電源裝置和系統的電磁兼容性。4)降低電噪聲。5)實(shí)現高性能可控性。宣鋼煉鋼廠(chǎng)除塵風(fēng)機、水系統、給料系統也正是適應了變頻器的這一特性,經(jīng)過(guò)多次理論考證,采用了變頻器,為我國的節能事業(yè)做出一定貢獻。
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