智能化應用變頻器提升節電效率

0 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調速技術(shù)亦得到了不斷的發(fā)展。時(shí)至今日，交流變頻調速技術(shù)以其卓越的調速性能、顯著(zhù)的節電效果而在國民經(jīng)濟眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應用，并被公認為是一種最有前途的交流調速方式，引領(lǐng)了電氣傳動(dòng)發(fā)展方向。變頻調速技術(shù)為節能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量提供了強有力的保障。變頻調速理論已形成了完整的科學(xué)體系，成為一門(mén)相對獨立的學(xué)科。

本文是在我公司多年來(lái)自主研發(fā)的產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)實(shí)際應用的基礎上總結出來(lái)的。

變頻器在我國的各個(gè)行業(yè)中已經(jīng)使用多年，但是不論是進(jìn)口的還是國產(chǎn)的，節電率都沒(méi)有達到理論值，一般都在15%~20%左右。我們開(kāi)發(fā)的智能化節電設備，節電率都達到甚至超過(guò)了40%;系統的電壓諧波控制在5%以下，電流諧波控制在15%以下;

功率因數提高到0.96以上。如何能做到這一點(diǎn)呢?我們主要從以下三個(gè)方面實(shí)現。

1 智能化應用變頻器

智能化應用變頻器，使系統中變頻器、電機、風(fēng)機(水泵)三者工作在最佳效率曲線(xiàn)內，達到三者效率乘積最大化。

根據流體力學(xué)的原理可知電機的轉速n與風(fēng)量q、壓力h、軸功率P之間的關(guān)系為

顯而易見(jiàn)，通過(guò)調整電機的轉速，可以大幅度地降低電機的功率，通過(guò)計算，可以得出調節轉速后，理論上電機所節約的電能，如表1所列。

由于軸功率與轉速的三次方成正比，因此通過(guò)調整電機的轉速，節電效果是非常顯著(zhù)的。當頻率下降10%時(shí)電機的轉速就會(huì )下降10%，風(fēng)量也會(huì )下降10%，這時(shí)的軸功率和電機轉速的三次方成正比。這時(shí)理論上的節電率是27.1%，如果轉速下降20%，理論上的節電率是48.8%。

采用交流變頻調速技術(shù)控制水泵的運行，是目前系統節能改造的有效途徑之一，下面繪出閥門(mén)控制調節和變頻調速控制兩種狀態(tài)的水泵功率消耗—流量關(guān)系曲線(xiàn)。

圖1顯示了變頻器控制和閥門(mén)控制水泵所消耗的功率，從圖中我們可以清楚地看出水泵的流量為額定的60%時(shí)，變頻控制與閥門(mén)控制相比，功率下降了60%;所以水泵依靠閥門(mén)控制所消耗的電量遠遠大于變頻器控制所消耗的電量。

但是，為什么我們在安裝變頻器以后節電率達不到表1所列的數值呢?為什么節電率總是在20%以下呢?離變頻器的理論值相差甚遠，是什么原因?

經(jīng)過(guò)多年的研究，我們找到了問(wèn)題的答案：雖然我們在系統中安裝了變頻器，但是沒(méi)有找到最佳的控制應用手段來(lái)挖掘出變頻器和動(dòng)力系統配合的潛力，用什么方法使變頻器、電機、風(fēng)機(水泵)三者效率的乘積最大化呢?我們通過(guò)幾年的努力，搜集了變頻器、電機、風(fēng)機和水泵幾千家制造商上萬(wàn)種產(chǎn)品的效率曲線(xiàn)數據，建立了開(kāi)發(fā)控制軟件的基礎，開(kāi)發(fā)出了智能化控制變頻調速的專(zhuān)利軟件。由于這套軟件的開(kāi)發(fā)成功，解決了如何使變頻器、電機、風(fēng)機或水泵在系統工作時(shí)三者效率乘積最大化的問(wèn)題，使節電率在原來(lái)變頻器的基礎上提高了10%左右。

2 系統諧波治理

很多單位在安裝變頻器之后，節電率低，電機發(fā)熱、噪音大。大家都知道，每一個(gè)變頻器本身就是一個(gè)諧波源，產(chǎn)生的諧波有正相序、負相序和零相序之分。諧波能大大影響我們的節電率，舉個(gè)例子，例如我們在100 kW 的電機上加裝變頻器控制器轉速，100 kW的電機的額定電流大約是200 A，假設轉速降低20%，理論節電率應該是48.8%，從電流的角度上說(shuō)節省了97.6 A，但是變頻器本身產(chǎn)生多次諧波，以其中的5 次諧波為例，5 次諧波是負相序諧波，能產(chǎn)生與原基波電流方向相反的電流40 A，帶動(dòng)電機反轉，此時(shí)電機的負載增大，效率降低，必須增加40 A的基波電流抵消掉諧波電流，此時(shí)，我們節約的電流只有57.6 A(這只是5次諧波產(chǎn)生的危害，還有其它次諧波也大大影響節電率)。從這些數字我們可以看出，諧波的存在對節電率有著(zhù)非常大的影響。另外，諧波還有許多其它的危害，例如：影響電機效率和正常運行，縮短電動(dòng)機壽命;加速元器件的老化;增加變壓器和線(xiàn)路損耗等。由此可知，對諧波的治理是當務(wù)之急。

目前對諧波的治理方法主要是在系統中加裝無(wú)源濾波器和有源濾波器。無(wú)源濾波器主要是電容和電抗，價(jià)格便宜，可是只能濾除30%左右的諧波;有源濾波器治理諧波的效果很好，對諧波的濾除率能達到95%以上，可是成本太高，平均每千瓦要上萬(wàn)元，對企業(yè)來(lái)講投資太大。我們利用有源濾波器的原理，在變頻器的基礎上加裝諧波發(fā)生器，當系統出現諧波時(shí)，計算機就會(huì )發(fā)出指令，產(chǎn)生一個(gè)頻率相同方向相反的諧波把產(chǎn)生的諧波抵消掉，其諧波濾除率高達90%以上，接近于有源濾波器的治理效果，可成本比有源濾波器低了許多，用我們的方法濾除諧波平均1 000元/ kW左右，這樣我們就用最小的投入解決了最大的問(wèn)題。

下面是一汽大眾用我們的產(chǎn)品在治理諧波方面的檢測數據。經(jīng)過(guò)治理后，諧波電壓含有率分別是：42Hz時(shí)為4.47%;38 Hz時(shí)為4.85%;35 Hz時(shí)為4.50%。

安裝LP牌智能化節電設備前后啟動(dòng)電流、電機表面溫升對比如表2所列。

由于減少了諧波的影響，電機的電能損耗降低了，電機表面的溫度下降了，同時(shí)又提高了變頻器的節電率，此時(shí)的節電率已接近于理論值。

3 提高電機功率因數

影響電機功率因數的因素有三個(gè)：電壓波動(dòng)，諧波影響，電機的空載和輕載。

我們國家的電網(wǎng)電壓已經(jīng)很穩定，一般不會(huì )產(chǎn)生波動(dòng)，另外，我們對諧波的治理也已經(jīng)接近理想狀態(tài)，現在我們只考慮第三個(gè)因素：電機的輕載和空載，空載的情況很少，解決輕載問(wèn)題的關(guān)鍵就是必須首先知道負載在工作過(guò)程中隨時(shí)的變化情況，變化量是多少?用什么控制方法來(lái)實(shí)現?

以鋼鐵廠(chǎng)的除塵風(fēng)機為例，在開(kāi)始出鐵時(shí)灰塵含量多，負載重，工作電流大，出鐵結束后，含塵量減少，電機的負載也會(huì )降低，電流減小，一般的變頻器只能解決在出鐵時(shí)帶動(dòng)風(fēng)機滿(mǎn)載運行，煉鐵時(shí)變頻低速運行，而不能解決隨含塵量和負載的變化適時(shí)進(jìn)行變頻調速運行，解決不了電機輕載的問(wèn)題。我們的產(chǎn)品就做到了這一點(diǎn)，通過(guò)軟件對系統的實(shí)時(shí)監測，控制電機運行狀況隨系統的變化而變化，使系統始終在最佳的工作狀態(tài)下運行。

表3是一汽大眾汽車(chē)有限公司對我們產(chǎn)品調速后各頻率段的功率因數的檢測數據。

事實(shí)證明，在使用我們的產(chǎn)品以后，原設備的功率因數有了大幅度的提高。

4 結語(yǔ)

通過(guò)我們的研究和我們所服務(wù)客戶(hù)的實(shí)際使用情況證明，智能化應用變頻器和治理諧波是提升變頻器在動(dòng)力節電領(lǐng)域節電率的切實(shí)有效的方法。