淺談變頻技術在節(jié)能工程上的應用

關鍵字 變頻技術  節(jié)能  變頻器  風機

　　我們日常生產和生活所使用的電源，是固定頻率（50Hz）的交流電。變頻技術，就是通過技術手段，來改變用電設備的供電頻率，進而達到控制設備輸出功率的目的。變頻技術隨著微子學、電力電子、計算機和自動控制理論等的發(fā)展，已經進入了一個嶄新的時代，完全成熟的技術，也使其應用進入了一個新的高潮。它是通過變頻調速改變軸輸出功率，達到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。是感應式異步電動機節(jié)能的重要技術手段之一。
　　自1956年世界上第一個晶閘管誕生到現(xiàn)在歷時近半個世紀，隨著電子技術的飛速發(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，功能上也有較大的擴展，很多專用變頻設備附帶簡易PLC功能，再加上產品價格的降低，為變頻器的應用打開了廣闊的市場。
　　對于異步電動機通過調速達到節(jié)能目的方法很多，如：調壓調速，又稱為滑差調速；變極對數(shù)調速和品閘管串極調速等等，根據不同的負載性質，有針對性的選擇。在各種調速節(jié)能中，利用變頻調速，是異步電動機調速效果最好、最成熟、最有發(fā)展前途的節(jié)能技術。
　　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。從其電路的結構上分為交—直—交和交—交變頻器。交—直—交變頻器按照交流電機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脈沖幅值調制控制和PWM脈沖寬度調制控。
　　PAM因為受晶閘管換流時間的限制不能工作在高頻下，PWM輸出脈沖的幅值恒定，通過控制逆變器輸出電壓的導通脈沖頻率和寬度來同時改變輸出頻率和電壓，運用晶體管、可關斷晶閘管具有高速開關特性和自關斷特性，來做逆變器開關元件，采用PWM方式變得更容易實現(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，指應用在600V以上的至10KV運轉調速設備上的變頻控制器。中壓有600V、1000V。3000V、6000V和10KV等屬于中高壓變頻器。因為其輸入輸出電壓等級較高，在結構上必需有整套高壓投入切換設備，采用功率單元串聯(lián)疊加的高壓輸出方式，借助計算機控制，經高壓母線、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)。
　　交流變頻調速控制器是集電力電子、自動控制、微電子學、電機學等各種技術于一身的高新技術，變頻的調速技術是現(xiàn)代IT產業(yè)尖端技術，涉及到光纖通訊、計算機、數(shù)據并行處理等是多種高新技術的結合，與傳統(tǒng)行業(yè)耗能大、應用最廣泛的電力拖動、風機、水泵等多種行業(yè)應用異步電動機的設備，進行節(jié)能改造實現(xiàn)完美結合。
　　二、變頻器控制對像
　　變頻器應用，可分為兩大類：一種是用于傳動調速，另一種是各種靜止電源（靜止電源暫且不講）。變頻傳動調速，其應用目的就是通過對電機調速來達到節(jié)約能源。控制對象就是在動力設備上實現(xiàn)電—機轉換的電動機。這是由感應式異步電動機的性能和特征決定，其次是由于所帶的負載對電機調速的負荷適應性所決定。由電機轉速的數(shù)學公式我們知道，電機的實際轉速，主要取決于電機定子的旋轉磁場（ n1=t*f/p） 。
　　對一個繞制好的電機，其旋轉磁場轉速完全取決供電頻率，t 為時間常數(shù)，P為電機的極對數(shù)，n1正比電源頻率f，從電機的結構上我們看到定、轉子之間沒有任何電的連接，基于磁場感應和機械慣性，轉子的轉速和定子旋轉磁場的轉速總是不同步，差一個轉差數(shù)（一般為n1的1%——1.8%，）稱為轉差率S，由此可見電機的轉速也正比于電源的頻率。n2=t*f（1-s）/p從異步電動機變頻時機械特性曲線中，我們不難看出轉速的變化對電機的轉矩影響較小，對于傳動機械功率要求完全可以滿足。變頻調速控制是在降低輸出頻率的同時輸出電壓也相應降低，轉矩正比輸出電壓。轉矩也會有些減少。這種純電氣調速系統(tǒng)是人為地改變電動機的機械特性來獲得不同的轉速，直接與拖動機械相連接不需原機械設備做任何調整，這對于節(jié)能改造成本，保持原有機械性能都大有好處。變頻傳動調速的特點是：
　　1 、不用改動原有設備包括電機本身；
　　2、可實現(xiàn)無級調速，滿足傳動機械要求；
　　3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動電流沖擊對電網的不良影響，減少電源容量的同時還可以減少機械慣動量，減少機械損耗；
　　4、不受電源頻率的影響，可以開環(huán)、閉環(huán)手動/自動控制；
　　5、低速時，定轉矩輸出、低速過載能力較好；
　　6、電機的功率因數(shù)隨轉速增高功率增大而提高。使用效果較好。
　　三、風機、水泵節(jié)能－－－－-變頻控制
　　機電設備配合設計原則：電機的最大功率必須滿足負載下的機械功率和轉矩，對于不同的負載，最大值并非時時刻刻都發(fā)生、負載的變化是非線性的，而電機的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非最大負載時電機輸出了相當一部分多余功率，電能也就白白浪費掉了。風機、水泵類就是較典型例子。
　　風機、水泵類風量和流量的控制在過去很少采用轉速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動機拖動，進行恒速運轉，當需要改變風量或流量時，事實上都采用調節(jié)擋風板或節(jié)流閥。這種控制雖然簡單易行，能滿足流量要求，但對電機來講，從節(jié)省能源的角度來看是非常不經濟的。生產中很容易檢測出來。
　　這類設備一般都是長時間運行，甚至很久不停機。在實際檢測中發(fā)現(xiàn)，除在極短時間流量最大值外，近90％時間運行在中等或較低負荷狀態(tài)，總用電量至少有40％以上被浪費掉。采用變頻調速控制，對風機、水泵類機械進行轉速控制來調節(jié)流量的方法，對節(jié)約能源，提高經濟效益具有非常重要意義。
　　四、風機、水泵的節(jié)能方法
　　從流量控制原理上講，風機、水泵的結構和工作原理基本相同。
　　1、具體測試某工廠爐底風機散熱控制系統(tǒng)，冶煉爐根據不同材料、需要不同的爐底冷卻溫度，設計滿足最大冷卻風量設計為四臺18.5KW4極葉輪式風機，全功率運轉，但用最大冷卻風量的概率極低。冶煉常用幾種材料，四臺風機對開風量過大；對開兩臺時，達不到冷卻要求；對開一對再側開一臺，冷卻不均、無法滿足工藝要求；原設計4臺對開風機靠調節(jié)擋風板可滿足冷卻要求，但對電機來講，浪費電能。風板全開時，運行電流24A，全關閉時22A，輸入功率從17.0KW—18.5KW變化，節(jié)電率不足8％。
　　針對這一特殊要求制定方案，對其中兩臺對開電機進行開環(huán)變頻調速控制，配合兩臺全速風機，即滿足不同材料的溫控要求，又能節(jié)約電能。按照這一方案進行改造后，節(jié)電效果非常明顯。針對其中一種材料需固定頻率控制進行冷卻，幾個月才換一次，設定頻率在25—35之間，完全滿足冷卻要求。工頻下運行時一臺18.5KW風機（經變頻器輸出），每小時耗電為11.9度/小時，日耗電量為：285.6度/24小時。在正常運行時根據不同材料的溫度要求，設定頻率分別為：25Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz和45 Hz。運行測定參數(shù)如下：

　　

　　需要指出的是：變頻器當輸出頻率降低時，輸出電壓也相應降低，輸入功率明顯減少，對應頻率降低時電壓降低電機不會有溫升，若頻率不變時電壓降低至浮動電壓下限值時，電機就會有溫升。
　　2、水泵節(jié)電：同風機原理很相近。以某酒店750TRT中央空調冷水機組水系統(tǒng)90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例：主機制冷是根據溫度的變化而工作，是非線性負荷，而水泵電機基本上是線性恒功率輸出。1臺55KW冷卻水泵靠調整閥門來改變流量，雖然能滿足主機運行要求，但對于電機來講節(jié)電意義不大，閥門的全開和全閉，電流從107A—97A之間變化，平均節(jié)電不足7％。通過改造采用溫度控制為主，壓力控制為鋪進行閉環(huán)變頻控制水泵電機，水泵電機平均節(jié)電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機靠調節(jié)閥門電流在163—148A之間變化，平均節(jié)電不足6％，經閉環(huán)控制變頻調速改造后，節(jié)電率平均也在30％以上。為什么會有這么大節(jié)電空間呢，因為中央空調系統(tǒng)設計時的最大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項極限指標為依據計算的（即人流最大、氣溫最高、空間散熱最差），平時出現(xiàn)這種情況的概率極低，從經驗上講不到10%，空調系統(tǒng)大部分運行時間都在中、低負荷狀態(tài)，空調主機的負荷曲線是非線性的，而水系統(tǒng)的水泵負荷是線性恒功率的，以滿足主機的最大負荷為標準。這樣在主機非最大負荷時水泵就必然存在著電能浪費空間。通過變頻調速控制使水泵電機的負載曲線符合或接近空調主機的負載曲線。
　　3、高壓變頻控制傳動調速控制設備都是在3KV以上大容量電機，一般都在幾百KW到幾千KW，負載率大于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，也是非常可觀，高壓變頻設備技術復雜設備體積大，成本較高，操作必須專業(yè)技術人員，但整體效益還是很可觀的。
　　五、變頻控制技術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。變頻控制傳動調速對于負載性質和負載率的不同，節(jié)電率也是不同，低壓變頻控制設備，一般負載率在0.5左右時，節(jié)電率在20—47％左右。比如定量泵注塑機、排污填水池電機、給氧風機等等，空調水泵基本上平均節(jié)電率都在25—60％左右。低壓設備變頻調速改造投資少、見效快，投資回報期基本上在一年左右。
　　隱性效益主要體現(xiàn)：
　　1、實現(xiàn)了電機的軟啟軟停，消除電機啟動電流對電網的沖擊，減少了啟動電流的線路損耗；
　　2、消除了電機因啟停所產生的慣動量對設備的機械沖擊，大大降低了機械磨損，減少設備的維修，延長了設備的使用壽命；
　　3、空調水泵的軟啟、軟停克服了原來停機時的水槌現(xiàn)象。
　　除上述的有利一面，同時也存在一些問題。任何事物都不是絕對的，都要辨證去看去分析，低壓變頻器輸出波型為脈沖形式，會產生一些干擾，實際運行中單臺干擾不嚴重，以30KW容量為例，干擾福射基本在10米之內，在設計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，一般使用時盡量遠離電腦等怕干擾設備，對于多臺集中安裝時安裝位置要盡量拉開距離，還需專門加裝陷波電路屏蔽接地，將干擾減少到最低。
　　高壓變頻設備干擾性很小，控制技術較高，輸出電壓波形近似正弦波形，但設備體積較大，安裝調試都比較復雜。
　　六、變頻技術目前市場應用情況
　　經市場調查，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35%，很多生產商生產的風機、水泵類的電機控制系統(tǒng)都配裝了變頻啟動系統(tǒng)，說明這項節(jié)能技術越來越被人們所認識。隨著市場占有率的不斷提高，成本價格較前些年大幅下降。低壓變頻器分國產、合資、原裝三大種類，完全是一個通用的工控產品。合資產品相對價格低質量好，性價比合理。從使用情況看，只要不超負荷運行，很少發(fā)生故障。從設計使用上看，節(jié)能改造設計水平參差不齊，要想將節(jié)能改造工程做好，需要專業(yè)技術人員把關。用電設備能否節(jié)電，不能不分情況一概而論，不是所有用電設備都有節(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備的節(jié)電率說成普遍的所有用電設備都能達到的情況出現(xiàn)。節(jié)電率在節(jié)電工程中是一項非常重要的指標，但絕對不是唯一的指標。工程改造前后電機的功率因數(shù)、溫升及效率等都是不可忽略的運行數(shù)據。不同的節(jié)電設備節(jié)電率、使用壽命、性能都有不同，要科學分析，科學運用。
　　我國工業(yè)技術雖然有了較大的發(fā)展，但目前仍是處于一個工業(yè)化中期社會，技術發(fā)展還不平衡，在很多企業(yè)生產中，表現(xiàn)出來最明顯的特征依舊是能源消耗多，生產效率較低，產品質量參差不齊；能效比不高，陳、舊、老設備在國民生產中仍舊占較大的比重。變頻調速的應用，就是要改造這些設備，以達到節(jié)約能源的目的。有國家、省、市政府的大力支持，有成熟的技術基礎理論，縱觀節(jié)能改造市場，潛力巨大。節(jié)約能源，保護環(huán)境，造福子孫，利國利民。