淺談變頻技術(shù)在節能工程上的應用

　　交流變頻調速控制器是集電力電子、自動(dòng)控制、微電子學(xué)、電機學(xué)等各種技術(shù)于一身的高新技術(shù)，變頻的調速技術(shù)是現代IT產(chǎn)業(yè)尖端技術(shù)，涉及到光纖通訊、計算機、數據并行處理等是多種高新技術(shù)的結合，與傳統行業(yè)耗能大、應用最廣泛的電力拖動(dòng)、風(fēng)機、水泵等多種行業(yè)應用異步電動(dòng)機的設備，進(jìn)行節能改造實(shí)現完美結合。

　　二、變頻器控制對像

　　變頻器應用，可分為兩大類(lèi)：一種是用于傳動(dòng)調速，另一種是各種靜止電源（靜止電源暫且不講）。變頻傳動(dòng)調速，其應用目的就是通過(guò)對電機調速來(lái)達到節約能源?？刂茖ο缶褪窃趧?dòng)力設備上實(shí)現電—機轉換的電動(dòng)機。這是由感應式異步電動(dòng)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。由電機轉速的數學(xué)公式我們知道，電機的實(shí)際轉速，主要取決于電機定子的旋轉磁場(chǎng)（ n1=t*f/p） 。

　　對一個(gè)繞制好的電機，其旋轉磁場(chǎng)轉速完全取決供電頻率，t 為時(shí)間常數，P為電機的極對數，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(méi)有任何電的連接，基于磁場(chǎng)感應和機械慣性，轉子的轉速和定子旋轉磁場(chǎng)的轉速總是不同步，差一個(gè)轉差數（一般為n1的1%——1.8%，）稱(chēng)為轉差率S，由此可見(jiàn)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(dòng)機變頻時(shí)機械特性曲線(xiàn)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(dòng)機械功率要求完全可以滿(mǎn)足。變頻調速控制是在降低輸出頻率的同時(shí)輸出電壓也相應降低，轉矩正比輸出電壓。轉矩也會(huì )有些減少。這種純電氣調速系統是人為地改變電動(dòng)機的機械特性來(lái)獲得不同的轉速，直接與拖動(dòng)機械相連接不需原機械設備做任何調整，這對于節能改造成本，保持原有機械性能都大有好處。變頻傳動(dòng)調速的特點(diǎn)是：

　　1 、不用改動(dòng)原有設備包括電機本身；

　　2、可實(shí)現無(wú)級調速，滿(mǎn)足傳動(dòng)機械要求；

　　3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動(dòng)電流沖擊對電網(wǎng)的不良影響，減少電源容量的同時(shí)還可以減少機械慣動(dòng)量，減少機械損耗；

　　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)，定轉矩輸出、低速過(guò)載能力較好；

　　6、電機的功率因數隨轉速增高功率增大而提高。使用效果較好。

　　三、風(fēng)機、水泵節能－－－－-變頻控制

　　機電設備配合設計原則：電機的最大功率必須滿(mǎn)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(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生、負載的變化是非線(xiàn)性的，而電機的輸出功率卻是恒定的，這就意味著(zhù)在非最大負載時(shí)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(fēng)機、水泵類(lèi)就是較典型例子。

　　風(fēng)機、水泵類(lèi)風(fēng)量和流量的控制在過(guò)去很少采用轉速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動(dòng)機拖動(dòng)，進(jìn)行恒速運轉，當需要改變風(fēng)量或流量時(shí)，事實(shí)上都采用調節擋風(fēng)板或節流閥。這種控制雖然簡(jiǎn)單易行，能滿(mǎn)足流量要求，但對電機來(lái)講，從節省能源的角度來(lái)看是非常不經(jīng)濟的。生產(chǎn)中很容易檢測出來(lái)。

　　這類(lèi)設備一般都是長(cháng)時(shí)間運行，甚至很久不停機。在實(shí)際檢測中發(fā)現，除在極短時(shí)間流量最大值外，近90％時(shí)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(fēng)機、水泵類(lèi)機械進(jìn)行轉速控制來(lái)調節流量的方法，對節約能源，提高經(jīng)濟效益具有非常重要意義。

　　四、風(fēng)機、水泵的節能方法

　　從流量控制原理上講，風(fēng)機、水泵的結構和工作原理基本相同。

　　1、具體測試某工廠(chǎng)爐底風(fēng)機散熱控制系統，冶煉爐根據不同材料、需要不同的爐底冷卻溫度，設計滿(mǎn)足最大冷卻風(fēng)量設計為四臺18.5KW4極葉輪式風(fēng)機，全功率運轉，但用最大冷卻風(fēng)量的概率極低。冶煉常用幾種材料，四臺風(fēng)機對開(kāi)風(fēng)量過(guò)大；對開(kāi)兩臺時(shí)，達不到冷卻要求；對開(kāi)一對再側開(kāi)一臺，冷卻不均、無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求；原設計4臺對開(kāi)風(fēng)機靠調節擋風(fēng)板可滿(mǎn)足冷卻要求，但對電機來(lái)講，浪費電能。風(fēng)板全開(kāi)時(shí)，運行電流24A，全關(guān)閉時(shí)22A，輸入功率從17.0KW—18.5KW變化，節電率不足8％。

　　針對這一特殊要求制定方案，對其中兩臺對開(kāi)電機進(jìn)行開(kāi)環(huán)變頻調速控制，配合兩臺全速風(fēng)機，即滿(mǎn)足不同材料的溫控要求，又能節約電能。按照這一方案進(jìn)行改造后，節電效果非常明顯。針對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，設定頻率在25—35之間，完全滿(mǎn)足冷卻要求。工頻下運行時(shí)一臺18.5KW風(fēng)機（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)。在正常運行時(shí)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。運行測定參數如下：

　　需要指出的是：變頻器當輸出頻率降低時(shí)，輸出電壓也相應降低，輸入功率明顯減少，對應頻率降低時(shí)電壓降低電機不會(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)，電機就會(huì )有溫升。

　　2、水泵節電：同風(fēng)機原理很相近。以某酒店750TRT中央空調冷水機組水系統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(xiàn)性負荷，而水泵電機基本上是線(xiàn)性恒功率輸出。1臺55KW冷卻水泵靠調整閥門(mén)來(lái)改變流量，雖然能滿(mǎn)足主機運行要求，但對于電機來(lái)講節電意義不大，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，水泵電機平均節電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機靠調節閥門(mén)電流在163—148A之間變化，平均節電不足6％，經(jīng)閉環(huán)控制變頻調速改造后，節電率平均也在30％以上。為什么會(huì )有這么大節電空間呢，因為中央空調系統設計時(shí)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(shí)出現這種情況的概率極低，從經(jīng)驗上講不到10%，空調系統大部分運行時(shí)間都在中、低負荷狀態(tài)，空調主機的負荷曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，而水系統的水泵負荷是線(xiàn)性恒功率的，以滿(mǎn)足主機的最大負荷為標準。這樣在主機非最大負荷時(shí)水泵就必然存在著(zhù)電能浪費空間。通過(guò)變頻調速控制使水泵電機的負載曲線(xiàn)符合或接近空調主機的負載曲線(xiàn)。

　　3、高壓變頻控制傳動(dòng)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，雖然節電率較低，但用電基數大，也是非?？捎^(guān)，高壓變頻設備技術(shù)復雜設備體積大，成本較高，操作必須專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，但整體效益還是很可觀(guān)的。

　　五、變頻控制技術(shù)的顯性和隱性效益及利弊分析

　　顯性效益就是指節電效益。變頻控制傳動(dòng)調速對于負載性質(zhì)和負載率的不同，節電率也是不同，低壓變頻控制設備，一般負載率在0.5左右時(shí)，節電率在20—47％左右。比如定量泵注塑機、排污填水池電機、給氧風(fēng)機等等，空調水泵基本上平均節電率都在25—60％左右。低壓設備變頻調速改造投資少、見(jiàn)效快，投資回報期基本上在一年左右。

　　隱性效益主要體現：

　　1、實(shí)現了電機的軟啟軟停，消除電機啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，減少了啟動(dòng)電流的線(xiàn)路損耗；

　　2、消除了電機因啟停所產(chǎn)生的慣動(dòng)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(cháng)了設備的使用壽命；

　　3、空調水泵的軟啟、軟?？朔嗽瓉?lái)停機時(shí)的水槌現象。

　　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(xiàn)圈就可以將干擾減少到最少，一般使用時(shí)盡量遠離電腦等怕干擾設備，對于多臺集中安裝時(shí)安裝位置要盡量拉開(kāi)距離，還需專(zhuān)門(mén)加裝陷波電路屏蔽接地，將干擾減少到最低。

　　高壓變頻設備干擾性很小，控制技術(shù)較高，輸出電壓