- 淺談變頻技術(shù)在節(jié)能工程上的應(yīng)用
- 通過控制逆變器輸出電壓
- 通過交流變頻調(diào)速控制器
我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活所使用的電源，是固定頻率（50Hz）的交流電。變頻技術(shù)，就是通過技術(shù)手段，來改變用電設(shè)備的供電頻率，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計算機(jī)和自動控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了一個嶄新的時代，完全成熟的技術(shù)，也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個新的高潮。它是通過變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。是感應(yīng)式異步電動機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)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(jì)，隨著電子技術(shù)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(kuò)展，很多專用變頻設(shè)備附帶簡易PLC功能，再加上產(chǎn)品價格的降低，為變頻器的應(yīng)用打開了廣闊的市場。
對于異步電動機(jī)通過調(diào)速達(dá)到節(jié)能目的方法很多，如：調(diào)壓調(diào)速，又稱為滑差調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速和品閘管串極調(diào)速等等，根據(jù)不同的負(fù)載性質(zhì)，有針對性的選擇。在各種調(diào)速節(jié)能中，利用變頻調(diào)速，是異步電動機(jī)調(diào)速效果最好、最成熟、最有發(fā)展前途的節(jié)能技術(shù)。
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(shù)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(diào)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(jié)構(gòu)上分為交—直—交和交—交變頻器。交—直—交變頻器按照交流電機(jī)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(diào)制控制和PWM脈沖寬度調(diào)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(dǎo)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(guān)斷晶閘管具有高速開關(guān)特性和自關(guān)斷特性，來做逆變器開關(guān)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(yīng)用在600V以上的至10KV運轉(zhuǎn)調(diào)速設(shè)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(jié)構(gòu)上必需有整套高壓投入切換設(shè)備，采用功率單元串聯(lián)疊加的高壓輸出方式，借助計算機(jī)控制，經(jīng)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(diào)速控制器是集電力電子、自動控制、微電子學(xué)、電機(jī)學(xué)等各種技術(shù)于一身的高新技術(shù)，變頻的調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代IT產(chǎn)業(yè)尖端技術(shù)，涉及到光纖通訊、計算機(jī)、數(shù)據(jù)并行處理等是多種高新技術(shù)的結(jié)合，與傳統(tǒng)行業(yè)耗能大、應(yīng)用最廣泛的電力拖動、風(fēng)機(jī)、水泵等多種行業(yè)應(yīng)用異步電動機(jī)的設(shè)備，進(jìn)行節(jié)能改造實現(xiàn)完美結(jié)合。
二、變頻器控制對象
變頻器應(yīng)用，可分為兩大類：一種是用于傳動調(diào)速，另一種是各種靜止電源（靜止電源暫且不講）。變頻傳動調(diào)速，其應(yīng)用目的就是通過對電機(jī)調(diào)速來達(dá)到節(jié)約能源?？刂茖ο缶褪窃趧恿υO(shè)備上實現(xiàn)電—機(jī)轉(zhuǎn)換的電動機(jī)。這是由感應(yīng)式異步電動機(jī)的性能和特征決定，其次是由于所帶的負(fù)載對電機(jī)調(diào)速的負(fù)荷適應(yīng)性所決定。由電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式我們知道，電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，主要取決于電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場（ n1=t*f/p） 。
對一個繞制好的電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速完全取決供電頻率，t 為時間常數(shù)，P為電機(jī)的極對數(shù)，n1正比電源頻率f，從電機(jī)的結(jié)構(gòu)上我們看到定、轉(zhuǎn)子之間沒有任何電的連接，基于磁場感應(yīng)和機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速總是不同步，差一個轉(zhuǎn)差數(shù)（一般為n1的1%——1.8%，）稱為轉(zhuǎn)差率S，由此可見電機(jī)的轉(zhuǎn)速也正比于電源的頻率。n2=t*f（1-s）/p從異步電動機(jī)變頻時機(jī)械特性曲線中，我們不難看出轉(zhuǎn)速的變化對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響較小，對于傳動機(jī)械功率要求完全可以滿足。變頻調(diào)速控制是在降低輸出頻率的同時輸出電壓也相應(yīng)降低，轉(zhuǎn)矩正比輸出電壓。轉(zhuǎn)矩也會有些減少。這種純電氣調(diào)速系統(tǒng)是人為地改變電動機(jī)的機(jī)械特性來獲得不同的轉(zhuǎn)速，直接與拖動機(jī)械相連接不需原機(jī)械設(shè)備做任何調(diào)整，這對于節(jié)能改造成本，保持原有機(jī)械性能都大有好處。變頻傳動調(diào)速的特點是：
1 、不用改動原有設(shè)備包括電機(jī)本身；
2、可實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足傳動機(jī)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(wǎng)的不良影響，減少電源容量的同時還可以減少機(jī)械慣動量，減少機(jī)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(zhuǎn)矩輸出、低速過載能力較好；
6、電機(jī)的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增高功率增大而提高。使用效果較好。
[page]
三、風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能－－－－-變頻控制
機(jī)電設(shè)備配合設(shè)計原則：電機(jī)的最大功率必須滿足負(fù)載下的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩，對于不同的負(fù)載，最大值并非時時刻刻都發(fā)生、負(fù)載的變化是非線性的，而電機(jī)的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非最大負(fù)載時電機(jī)輸出了相當(dāng)一部分多余功率，電能也就白白浪費掉了。風(fēng)機(jī)、水泵類就是較典型例子。
風(fēng)機(jī)、水泵類風(fēng)量和流量的控制在過去很少采用轉(zhuǎn)速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動機(jī)拖動，進(jìn)行恒速運轉(zhuǎn)，當(dāng)需要改變風(fēng)量或流量時，事實上都采用調(diào)節(jié)擋風(fēng)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(jī)來講，從節(jié)省能源的角度來看是非常不經(jīng)濟(jì)的。生產(chǎn)中很容易檢測出來。
這類設(shè)備一般都是長時間運行，甚至很久不停機(jī)。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(fù)荷狀態(tài)，總用電量至少有40％以上被浪費掉。采用變頻調(diào)速控制，對風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)流量的方法，對節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要意義。
我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活所使用的電源，是固定頻率（50Hz）的交流電。變頻技術(shù)，就是通過技術(shù)手段，來改變用電設(shè)備的供電頻率，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計算機(jī)和自動控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了一個嶄新的時代，完全成熟的技術(shù)，也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個新的高潮。它是通過變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。是感應(yīng)式異步電動機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)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(jì)，隨著電子技術(shù)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(kuò)展，很多專用變頻設(shè)備附帶簡易PLC功能，再加上產(chǎn)品價格的降低，為變頻器的應(yīng)用打開了廣闊的市場。
對于異步電動機(jī)通過調(diào)速達(dá)到節(jié)能目的方法很多，如：調(diào)壓調(diào)速，又稱為滑差調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速和品閘管串極調(diào)速等等，根據(jù)不同的負(fù)載性質(zhì)，有針對性的選擇。在各種調(diào)速節(jié)能中，利用變頻調(diào)速，是異步電動機(jī)調(diào)速效果最好、最成熟、最有發(fā)展前途的節(jié)能技術(shù)。
四、風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能方法
從流量控制原理上講，風(fēng)機(jī)、水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。
1、具體測試某工廠爐底風(fēng)機(jī)散熱控制系統(tǒng)，冶煉爐根據(jù)不同材料、需要不同的爐底冷卻溫度，設(shè)計滿足最大冷卻風(fēng)量設(shè)計為四臺18.5KW4極葉輪式風(fēng)機(jī)，全功率運轉(zhuǎn)，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(jī)對開風(fēng)量過大；對開兩臺時，達(dá)不到冷卻要求；對開一對再側(cè)開一臺，冷卻不均、無法滿足工藝要求；原設(shè)計4臺對開風(fēng)機(jī)靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板可滿足冷卻要求，但對電機(jī)來講，浪費電能。風(fēng)板全開時，運行電流24A，全關(guān)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(jī)進(jìn)行開環(huán)變頻調(diào)速控制，配合兩臺全速風(fēng)機(jī)，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(jìn)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(jìn)行冷卻，幾個月才換一次，設(shè)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(fēng)機(jī)（經(jīng)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(jù)不同材料的溫度要求，設(shè)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(dāng)輸出頻率降低時，輸出電壓也相應(yīng)降低，輸入功率明顯減少，對應(yīng)頻率降低時電壓降低電機(jī)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(jī)就會有溫升。
2、水泵節(jié)電：同風(fēng)機(jī)原理很相近。以某酒店750TRT中央空調(diào)冷水機(jī)組水系統(tǒng)90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例：主機(jī)制冷是根據(jù)溫度的變化而工作，是非線性負(fù)荷，而水泵電機(jī)基本上是線性恒功率輸出。1臺55KW冷卻水泵靠調(diào)整閥門來改變流量，雖然能滿足主機(jī)運行要求，但對于電機(jī)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(jìn)行閉環(huán)變頻控制水泵電機(jī)，水泵電機(jī)平均節(jié)電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機(jī)靠調(diào)節(jié)閥門電流在163—148A之間變化，平均節(jié)電不足6％，經(jīng)閉環(huán)控制變頻調(diào)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(diào)系統(tǒng)設(shè)計時的最大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項極限指標(biāo)為依據(jù)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(jīng)驗上講不到10%，空調(diào)系統(tǒng)大部分運行時間都在中、低負(fù)荷狀態(tài)，空調(diào)主機(jī)的負(fù)荷曲線是非線性的，而水系統(tǒng)的水泵負(fù)荷是線性恒功率的，以滿足主機(jī)的最大負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)。這樣在主機(jī)非最大負(fù)荷時水泵就必然存在著電能浪費空間。通過變頻調(diào)速控制使水泵電機(jī)的負(fù)載曲線符合或接近空調(diào)主機(jī)的負(fù)載曲線。
3、高壓變頻控制傳動調(diào)速控制設(shè)備都是在3KV以上大容量電機(jī)，一般都在幾百KW到幾千KW，負(fù)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(jī)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?？捎^，高壓變頻設(shè)備技術(shù)復(fù)雜設(shè)備體積大，成本較高，操作必須專業(yè)技術(shù)人員，但整體效益還是很可觀的。
[page]
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(jié)電效益。變頻控制傳動調(diào)速對于負(fù)載性質(zhì)和負(fù)載率的不同，節(jié)電率也是不同，低壓變頻控制設(shè)備，一般負(fù)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(jī)、排污填水池電機(jī)、給氧風(fēng)機(jī)等等，空調(diào)水泵基本上平均節(jié)電率都在25—60％左右。低壓設(shè)備變頻調(diào)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(jī)的軟啟軟停，消除電機(jī)啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，減少了啟動電流的線路損耗；
2、消除了電機(jī)因啟停所產(chǎn)生的慣動量對設(shè)備的機(jī)械沖擊，大大降低了機(jī)械磨損，減少設(shè)備的維修，延長了設(shè)備的使用壽命；
3、空調(diào)水泵的軟啟、軟?？朔嗽瓉硗C(jī)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(chǎn)生一些干擾，實際運行中單臺干擾不嚴(yán)重，以30KW容量為例，干擾福射基本在10米之內(nèi)，在設(shè)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(yuǎn)離電腦等怕干擾設(shè)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(shè)備干擾性很小，控制技術(shù)較高，輸出電壓形近似正弦波形，但設(shè)備體積較大，安裝調(diào)試都比較復(fù)雜。
六、變頻技術(shù)目前市場應(yīng)用情況
經(jīng)市場調(diào)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(chǎn)商生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)、水泵類的電機(jī)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(shù)越來越被人們所認(rèn)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(chǎn)、合資、原裝三大種類，完全是一個通用的工控產(chǎn)品。合資產(chǎn)品相對價格低質(zhì)量好，性價比合理。從使用情況看，只要不超負(fù)荷運行，很少發(fā)生故障。從設(shè)計使用上看，節(jié)能改造設(shè)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(shù)人員把關(guān)。用電設(shè)備能否節(jié)電，不能不分情況一概而論，不是所有用電設(shè)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(shè)備的節(jié)電率說成普遍的所有用電設(shè)備都能達(dá)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(biāo)，但絕對不是唯一的指標(biāo)。工程改造前后電機(jī)的功率因數(shù)、溫升及效率等都是不可忽略的運行數(shù)據(jù)。不同的節(jié)電設(shè)備節(jié)電率、使用壽命、性能都有不同，要科學(xué)分析，科學(xué)運用。
我國工業(yè)技術(shù)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(shù)發(fā)展還不平衡，在很多企業(yè)生產(chǎn)中，表現(xiàn)出來最明顯的特征依舊是能源消耗多，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊；能效比不高，陳、舊、老設(shè)備在國民生產(chǎn)中仍舊占較大的比重。變頻調(diào)速的應(yīng)用，就是要改造這些設(shè)備，以達(dá)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(shù)基礎(chǔ)理論，縱觀節(jié)能改造市場，潛力巨大。節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，造福子孫，利國利民。
