电机目前使用的几种主要节能方案及比较.ppt

1 电机目前使用的几种主要节能方案及比较 2 目录 1 风机水泵的调节2 液力耦合器调速3 串级和双馈调速 转子侧 4 变频调速 定子侧 3 风机 水泵的调节 工作原理风机和泵类负载一般称二次型负载 转矩与转速二次方成比例 功率与转速三次方成比例 当 0 6nN时 转矩和功率已很小 再往下调已无意义 因此调速范围一般限制在40 在调速性能方面 对静态精度和动态响应无严格要求 4 1 液力耦合器调速的工作原理 工作原理如采用液力耦合器调速 则电动机转轴连接到液力耦合器 而负载连接到液力耦合器 电动机由电网供电 电动机仍全速运行 液力耦合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化 来传递电动机能量并改变输出转速的 电动机通过液力耦合器的输入轴拖动其主动工作轮 对工作油进行加速 被加速的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮 把能量传递到输出轴和负载 这样 可以通过控制工作腔内参与能量传递的工作油多少来控制输出轴的力矩 达到控制负载的转速的目的 液力耦合器也可以实现负载转速无级调节 5 1 变频器调速的工作原理 工作原理电动机采用变频调速后 电动机转轴与负载直接相连 但电动机不再由电网直接供电 而是由变频器供电 变频器通过改变电动机的供电频率改变电机转速 因此可以实现相当宽的频率范围内无级调速 而且在全范围内具有优异的效率和功率因数特性 采用变频调速后 异步电动机转速n 60f 1 s p 其中f为变频器输出频率 s为异步电动机转差率 p为电动机极对数 6 变频调速与液力耦合器调速的节能比较 功率损耗的原因电动机本身功率损耗除外 无论是变频调速还是液力耦合器调速 均存在额外的功率损耗 液力耦合器从电动机输出轴取得机械能 通过液力变速后送入负载 其效率不可能为1 变频器从电网取的电能 通过逆变后送入电动机电枢 其效率也不可能是1 而且在全转速范围内 两种方式的效率曲线也不一样 7 变频调速与液力耦合器调速的节能比较 图1 两种调速方式效率曲线 为典型的液力耦合器和变频器 高高变频器 的效率 转速曲线 随着输出转速的降低 液力耦合器的效率基本上正比降低 例如 额定转速时效率0 95 75 转速时效率约0 72 20 转速时效率约0 19 而变频器在输出转速下降时效率仍然较高 例如 额定转速时效率0 97 75 以上转速时效率大于0 95 20 以上转速时效率大于0 9 8 变频调速与液力耦合器调速的节能比较 曲线分析 从曲线数据看 当输出转速降低时 液力耦合器的效率比变频调速的效率下降快得多 因此变频调速的低速特性比液力耦合器要好 当用于风机 泵类负载时 由于其轴功率与转速的三次方成正比 当转速下降时 虽然液力耦合器效率正比下降 但电动机综合轴功率还是随着转速的下降成二次方比例下降 因此也能起到节能作用 变频调速通过电力电子整流和PWM逆变技术改变电动机定子的电压和频率 除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不变外 电力电子器件的损耗基本上与输出功率成正比 因此变频调速可以在全转速范围内保持较高效率运行 液力耦合器依靠泵和涡轮传递能量 在低速输出时 泵和涡轮的效率均下降 因此综合效率随转速下降而下降 9 变频调速与液力耦合器调速的节能比较 理论计算节能比较1000kW风机风量从100 降低到70 由于流量与转速一次方成正比 因此转速可以降低70 负载功率理论上降为34 3 如果采用直接高高变频调速 其效率按0 95算 再考虑电动机效率在低功率时有所下降 和管道系统效率有所下降 电网总输入功率约34 3 0 95 0 85 0 95 44 71 即447 1kW 节能55 29 全年按300日计算 年节电398万度 如果采用液力耦合器 其效率按0 665计算 电网总输入功率约34 3 0 665 0 85 0 95 63 87 即638 7KW 节能36 13 年节电260万度 列表如下 10 变频调速与液力耦合器调速的其它性能比较 功率因数变频调速可以在很宽的转速范围内保持高功率因数运行 例如20 以上转速时功率因数大于0 95 液力耦合器低速运行时功率因数低于电动机额定功率因数 如果在70 以下转速时 功率因数将低于0 7 采用液力耦合器如果需要提高功率因数 则需另加功率因数补偿装置 起动性能采用变频调速时 对于风机泵类负载 其起动电流小 对电网无冲击 液力耦合器不能直接改善起动性能 起动电流达到额定电流的5 7倍 起动对电动机和电网的冲击相当大 影响电网的稳定性 11 变频调速与液力耦合器调速的其它性能比较 运行可靠性 运行维护液力耦合器工作时是通过一导管调整工作腔的充液量 从而改变传递扭矩和输出转速来满足工况要求 因此 对工作腔及供油系统需经常维护及检修 耦合器运行时间稍长 会漏油严重 对环境污染大 地面被油污蚀严重 如果液力耦合器出现故障 无法直接定速运行 必须停机检修 电机和风机运行噪音大 会影响运行人员的身体健康 运行振动大 电机和轴承温升高 会降低风机和电机的使用寿命 后期使用 维护 维修费用大 高压变频装置目前技术已趋成熟 尤其是单元串联多电平方式的高压变频装置具有单元自动切换和冗余运行特性 在单元故障时可不停机连续运行 可靠性得以保证 而且检修维护相当容易 只需定期更换进风滤网即可 在加速期间大大减小了噪声 削弱了噪声污染 由于不用定期拆换轴承或者对液力耦合器进行维修 避免了机油对环境的污染 使风机房的现场环境有了极大改善 由于电机降低速度运行以及工作在高效率区 因此电机和轴承的温升都明显低于采用液力耦合器的系统 这样可以延长风机系统的使用寿命 12 变频调速与液力耦合器调速的其它性能比较 调节及控制特性液力耦合器依靠调节工作腔油量大小改变输出转速 因此延迟性较明显 不能快速响应 可能跟不上控制的需要 同时这时候的电流较大 如整定不好会引起跳闸 影响系统稳定性 液力耦合器本身控制精度差 调速范围窄 通常在40 90 之间 在高速运行时 液力耦合器有丢转现象 严重时会影响工作的正常进行 变频调速的频率改变速度相当快 完全可以以系统允许的最高速度进行调节变频调速属于数字式控制 其稳频精度达到0 1 以上 13 变频调速与液力耦合器调速的其它性能比较 投资及回报液力耦合器初期投资比变频调速低 变频调速节能效果及其它方面均明显优于液力耦合器 总体投资回报效果更佳 14 2 串级调速与双馈调速 15 串级和双馈调速 转子侧调速适用于绕线异步机 定子接中压电网 转子接调速装置 有2种调速方法 只从同步速下调的系统通常称串调 在同步速两侧都调节的系统称双馈 绝大多数风机和泵只需要下调 16 串级和双馈调速的特点 用低压设备控制高压电机 UR SUR0 1 式中 S n0 n n0 滑差 UR0 转子不转时 S 1 的转子电压 通常UR0 1000V 风机和泵要求40 调速范围 S 0 4 UR 400V 可以用低压400V调速装置控制6kV或10kV电机转速 调速装置容量小 转子输出功率Pr PN URIR UR0IRN 式中 IR和IRN 转子电流和它的额定值 IR IRN m 转矩相对值 考虑到二次型负载的特点 Pr PN S 1 S 2高速时 负载转矩m大 滑差S小 Pr不大 低速时S大 m小 Pr也不大 最大值出现在S 1 3时 Pr max 0 15PN 2 调速装置的功率按Pr max选取 可以用15 PN调速装置控制100 PN的电机 由于风机和泵的负载特性不严格遵循二次方关系 通常按Pr max 0 2 0 3 PN计算 17 串级和双馈调速的特点 旁路和起动容易 串调系统在旁路时不必操作高压断路器 只需将电机转子输出端短路就行 起动时可通过转子回路中串频敏变阻器限制起动电流 起动平稳 缺点 串调系统的不足是只能用于绕线异步机 有滑环和电刷 调速性能和功率因数不如高压变频 但大多数现场可接受 18 串级和双馈调速的几种拓扑形式 内反馈电机 斩波式串调内反馈电机就是在电机定子绕组中加一套辅助电源绕组 由它向逆变器提供电源 接受由转子返回来的能量 把电机和变压器合为一体 从而去掉庞大的变压器 简化串调主电路 所谓斩波式串调就是在传统串调基础上 在直流回路中加入升压式 Boost 斩波器 19 串级和双馈调速的几种拓扑形式 内反馈电机 斩波式串调的优缺点加入斩波后的好处 与传统串调相比 1 无论转速高低 TI都工作在逆变角 30 UD维持最大逆变电压不变 逆变器的容量STI和电机辅助绕组容量Saw都按转子最大输出功率Pr max来算 STI 0 2 0 3 Pn Saw 0 24 0 36 Pn大大小于传统串调 2 由于TI容量减小及工作时逆变角 角小 它产生的无功远小于传统串调 高速时 串调总无功略低于电机本身产生的无功 功率因数在0 8左右 3 由于STI比传统串调小 逆变器产生的谐波也相应减小 4 由于STI小 相应电抗器L的体积 重量和价格也减小 但增加了一台斩波电抗Ls 斩波串调的不足1 有2台电抗器 体积 重量和损耗仍较大 2 功率因数仍偏低 特别是在S 0 2 0 3范围内 调速风机和泵经常工作的区域 功率因数下降很快 仅0 6左右 3 在定子电流中仍存在TI产生的5 7次谐波及DR产生的低频谐波 20 串级和双馈调速的几种拓扑形式 转子变频调速把成熟的低压IGBT变频技术和内反馈斩波技术结合起来 产生了一种新调速方法 转子变频调速 转子变频调速主电路示于图2 从原理上说属斩波串调 只是逆变器为IGBT电压型PWM逆变器BI 21 串级和双馈调速的几种拓扑形式 转子变频调速原理与图1类似 电机定子有2套绕组 一套定子绕组直接接6kV或10kV电网 另一套辅助绕组为变频器VF中的逆变器BI提供电源 把来自转子的滑差能量回馈至定子 风机和泵只要求向下调速 能量流的方向是从转子 经VF和辅助绕组返回至电网 所以变频器VF的接法与通常变频调速相反 二极管整流桥接转子绕组 PWM逆变器BI输出接50Hz电源 把直流母线电压VD变为固定频率和电压的交流电 电机转速变化 S变化 时 转子电压变化 整流电压UDR随之变化 但BI要求直流母线电压固定 故加设升压斩波器BC 设计BI的控制系统使其维持UD恒定 UDR 1 D UD 3 式中 D 斩波器占空比 通过改变D就可改变UDR 从而实现调速 D减小 UDR加大 电机转速降低 22 串级和双馈调速的几种拓扑形式 转子变频调速的优缺点转子变频调速的优点 和晶闸管斩波串调相比 1 同样可以用 20 30 PN功率的400V低压变频器调节100 PN功率的6kV或10kV中压电机转速 且起动和旁路方便 2 主电路设备简单 全部调速装置就是一个带斩波的IGBT电压型变频器 无其他大设备 无晶闸管斩波串调的大电流电抗器3 运行功率因数高 总的功率因数在高速时达0 9以上 在n 0 7nN时仍有0 8 4 谐波问题 IGBT逆变器产生的谐波 由于采用PWM调制 开关频率高 可被辅助绕组的漏感滤掉 转子侧二极管整流产生的谐波 须采用有源滤波技术消除 转子变频调速的不足1 需使用绕线电机 有滑环 对已有笼型电机的改造项目有些不便 这问题可通过收购旧电机 随调速装置成套供应同样安装尺寸的新电机来解决 23 串级和双馈调速与高压变频调速的比较 高压变频的优缺点高压变频调速的优点1 调速范围宽 能在0 100 nN范围内平滑调节 调速性能好 可适用于各种交流电机 同步机 永磁机 鼠笼和绕线异步机等 2 网侧输入功率因数高 效率高 0 95含变频器和变压器 3 对电网和电机的谐波小