電動(dòng)風(fēng)機和水泵的變頻調速節能研究

0 引言

“數字農業(yè)”是在農業(yè)領(lǐng)域實(shí)現計算機技術(shù)，地學(xué)空間技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)和電子工程技術(shù)等信息技術(shù);實(shí)現農業(yè)辦公自動(dòng)化，農業(yè)數據信息獲取自動(dòng)化和標準化，農業(yè)設施運行智能化與機電一體化等。“數字農業(yè)”和“綠色農業(yè)”是建設現代化農業(yè)的必然選擇[1]。我國是目前世界上產(chǎn)值、能耗高的國家之一，農村的能源利用效率較低，在農業(yè)領(lǐng)域開(kāi)展農業(yè)機械的節能研究，建立“節約型新農村”是一項長(cháng)期而緊迫的任務(wù)。農用風(fēng)機和水泵是主要的電能消耗設備，本文以農業(yè)機械中水泵、風(fēng)機的流量調節為例，研究感應電動(dòng)機變頻調速的節電技術(shù)。所謂變頻調速是將電動(dòng)機的驅動(dòng)電源由三相工頻(50Hz)交流電(或任意電源)變換成三相(或單相)電壓可調、頻率可調的交流電來(lái)改變電動(dòng)機的轉速[2]。

1 變頻調速技術(shù)的現狀

近年來(lái)，交流調速技術(shù)在風(fēng)機、水泵類(lèi)負載領(lǐng)域得到了一定的推廣應用，電壓在380 V以下的低壓變頻器已大量使用;在中小功率變頻技術(shù)方面，國內幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V轅f控制，采用矢量控制技術(shù)的變頻器應用較少，品種與質(zhì)量不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，每年需要進(jìn)口。在大功率交—交變頻、無(wú)換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內只有少數科研單位有能力制造。大多數的變頻調速裝置采用晶閘管交—交變頻調速，制造成本較高，裝置可靠性差， 對電網(wǎng)污染嚴重，功率因數低、無(wú)功損耗大。同時(shí)變頻器的整機技術(shù)落后，國內雖有單位投入一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒(méi)有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規模。有些地方還使用晶閘管直流電機調速，盡管此類(lèi)系統制造技術(shù)成熟，但技術(shù)水平和效率低下，難以普及發(fā)展。變頻調速技術(shù)依托于電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器所用半導體功率器件，國內生產(chǎn)幾乎是空白。國外高電壓、大電流晶閘管、大功率三極管、場(chǎng)效應管、GTO(Gate Turn-off Thyristor，門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)、IGCT(Integraed Gate Conmmutated，集成門(mén)極換流晶閘管)以及IPM(Intelligent Power Module，智能功率模塊)等器件的生產(chǎn)，以及電子器件并、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應用成為現實(shí)，大大促進(jìn)了變頻調速技術(shù)的發(fā)展[3]。

我國變頻調速技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當落后，日本、德國和法國對高性能大容量的變頻調速系統的研究和應用非常重視，一直處于世界領(lǐng)先地位。不僅在農業(yè)應用領(lǐng)域，在電力機車(chē)、船舶等其他行業(yè)也走在前列。法國阿爾斯通公司已能提供單機容量達30 000 kW 的電氣傳動(dòng)設備用于船舶推進(jìn)系統。在大功率無(wú)換向器電機變頻調速技術(shù)方面，ABB公司提供了單機容量為60 000 kW的設備用于抽水蓄能電站;在中功率變頻調速技術(shù)方面，德國西門(mén)子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為10耀2 600 kV·A，其控制系統已實(shí)現全數字化，廣泛用于電力機車(chē)、風(fēng)機和水泵驅動(dòng)等領(lǐng)域[4] [5]。

2 風(fēng)機水泵的變頻調速節電原理

2.1 風(fēng)機水泵的流量調節方式

水泵(或風(fēng)機)的流量調節主要有三種方法。一種是采用傳統機械方法，水泵和風(fēng)機一旦開(kāi)始工作，電機便以額定轉速運行，以額定量供水和供風(fēng)，當水量或風(fēng)量需要減少或增加時(shí)，通過(guò)調節入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節供水量和供風(fēng)量，電機輸出功率大量的消耗在擋板或閥門(mén)的截流過(guò)程中，浪費了大量電能。另一種方式是采用電磁轉差離合器或

液壓耦合器調節風(fēng)機、水泵的轉速(電動(dòng)機恒速運轉)，電機消耗的能量不變，僅改變傳動(dòng)比，多余的能量也以其他能量形式消耗掉[6]。第三種調節方式是通過(guò)改變電動(dòng)機的轉速來(lái)控制水(或風(fēng))流量，此種方法能根據用水量(風(fēng)量)減少或增加來(lái)調節水泵轉速，無(wú)多余能量損耗，是目前最有效的節能調節方式之一。電機調速主要分直流調速和交流調，直流調速系統是用直流電驅動(dòng)直流電動(dòng)機，分為單閉環(huán)、多

環(huán)調速和可逆直流調速，通過(guò)改變直流電動(dòng)機的電樞電壓、勵磁磁通或電樞回路總電阻來(lái)調節電機轉速以實(shí)現流量調節。交流調速可分為調壓調速、雙饋電機調速、串級調速、變極調速和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速等。變頻調速是交流調速方法之一，是用變頻、變壓的交流電驅動(dòng)交流電機，其控制方法可分為標量控制、直接轉矩控制、矩陣式變頻、矢量控制調速等方式[7]。

2.2 風(fēng)機水泵的變頻調速節能原理

對異步電機進(jìn)行調速控制時(shí)，保持電機的主磁通恒定值不變，通過(guò)改變異步電機的供電頻率，改變其同步轉速，實(shí)現調速運行。水泵和風(fēng)機是一種平方轉矩負載，其轉矩(T)特性為

變頻器提供給電動(dòng)機的電壓U隨頻率的平方成正比降低，故可大幅度減少功耗，節電率高達30%~60%以上[4] [8]。電動(dòng)機轉速n與流量q、揚程h及軸功率Pq的關(guān)系如式(5)、(6)、(7)所示。

水泵的流量與其轉速成正比，水泵的揚程與其轉速的平方成正比，水泵的軸功率與其轉速的立方成正比。由以上公式可以看出，在環(huán)境氣壓、氣溫等參數不變的情況下，當轉速減少50豫時(shí)，流量減少50豫，揚程減少75豫，功率消耗減少87.5%，節能效果非常顯著(zhù)[4] [6]。

若采用在水流吸入側加擋板調節流量，電機運行于額定轉速，在不同流量q 時(shí)，電機軸功率Pq 與額定功率Pe 和額定流量qe有下列經(jīng)驗公式

離心風(fēng)機(水泵)的風(fēng)壓(揚程)h—風(fēng)量(流量)q曲線(xiàn)特性如圖1所示。正常工作時(shí)，工況點(diǎn)為A，其流量壓力分別為q1、h1，此時(shí)風(fēng)機水泵所需的功率正比于A(yíng)h1Oq1的面積。當要求減小風(fēng)量(流量)到q2，實(shí)際上通過(guò)調節(減小)擋板開(kāi)度增加管網(wǎng)管阻(R1寅R2)，使風(fēng)機水泵的工作點(diǎn)移到B 點(diǎn)，風(fēng)壓(水壓)增大，這時(shí)風(fēng)機水泵所需的功率正比于Bh2Oq2的面積,顯然風(fēng)機水泵所需的功率增大了[8]。這種調節方式控制簡(jiǎn)單，但功率損耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡(jiǎn)單控制方式。若采用變頻調速，風(fēng)機水泵轉速由n1下降到n2，這時(shí)工作點(diǎn)由A 點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是q2，壓力由h1降到h3，這時(shí)變頻調速后風(fēng)機(水泵)所需的功率正比于Ch3Oq2的面積，由圖1可見(jiàn)功率的減少是明顯的[9]。

采用變頻調速技術(shù)后，變頻器可根據實(shí)際需要改變電機轉速來(lái)調節水流量，使水泵實(shí)際負載與流量在任何工作階段均能保持一致或根據流量要求變化，保證電機在整個(gè)負載變化范圍內平穩、精確地運行，徹底消除溢流或流量不夠現象，能量消耗達到所需的最小程度，實(shí)現節能目的[10]。

2.3 風(fēng)機水泵變頻調速器控制方式

2.3.1 標量控制方式

這是一種最簡(jiǎn)單的控制方法，操作人員根據實(shí)際的需要，手動(dòng)調節變頻器的頻率設定值和輸出電壓，以改變風(fēng)量或流量。一般可分為電壓/頻率控制和轉差頻率控制兩種方式，其主要調節原理是

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