变频技术在节能工程上的应用

变频技术在节能工程上的应用变频技术在节能工程上的应用 我们日常生产和生活所使用的电源 是固定频率 50Hz 的交流电 变频技术 就是通过技术手段 来改变用电设备的供电频率 进而达到控制设备输出功率的目 的 变频技术随着微电子学 电力电子 计算机和自动控制理论等的发展 已经进 入了一个崭新的时代 完全成熟的技术 也使其应用进入了一个新的高潮 它是通过 变频调速改变轴输出功率 达到减少输入功率节省电能的目的 是感应式异步电动 机节能的重要技术手段之一 自 1956 年世界上第一个晶闸管诞生到现在历时近半个世纪 随着电子技术的飞速发 展 变频控制器从控制模块 功率输出和控制软件都已完全成熟 在提高性能的同 时 功能上也有较大的扩展 很多专用变频设备附带简易 PLC 功能 再加上产品价 格的降低 为变频器的应用打开了广阔的市场 对于异步电动机通过调速达到节能目的方法很多 如 调压调速 又称为滑差调速 变极对数调速和品闸管串极调速等等 根据不同的负载性质 有针对性的选择 在 各种调速节能中 利用变频调速 是异步电动机调速效果最好 最成熟 最有发展 前途的节能技术 一 常用的变频器分为低 中 高压变频器 一 常用的变频器分为低 中 高压变频器 1 低压变频器是指 400V 工控变频器 电子技术中将交流变成直流称顺变 也称整 流 交流变直流的变频器通常称整流器 将直流变为频率可调的交流电流就称逆变 把工频电源 50Hz 交流变成任意频率 任意电压的逆变装置称为变频器 从其电 路的结构上分为交 直 交和交 交变频器 交 直 交变频器按照交流电机电源 电压的控制方法的不同 分为电压型和电流型两种 改变变频器的输出电压或输出电流有二种不同的方法 即 PAM 脉冲幅值调制控制和 PWM 脉冲宽度调制控 PAM 因为受晶闸管换流时间的限制不能工作在高频下 PWM 输出脉冲的幅值恒定 通 过控制逆变器输出电压的导通脉冲频率和宽度来同时改变输出频率和电压 运用晶 体管 可关断晶闸管具有高速开关特性和自关断特性 来做逆变器开关元件 采用 PWM 方式变得更容易实现 为此大多数逆变器都采用 PWM 控制方式 2 中 高压变频器 所谓中高压变频器 指应用在 600V 以上的至 10KV 运转调速设 备上的变频控制器 中压有 600V 1000V 3000V 6000V 和 10KV 等属于中高压变频 器 因为其输入输出电压等级较高 在结构上必需有整套高压投入切换设备 采用 功率单元串联叠加的高压输出方式 借助计算机控制 经高压母线 断路器移相变 压器 功率单元 控制器等组成完整的高压变频控制系统 交流变频调速控制器是集电力电子 自动控制 微电子学 电机学等各种技术于一 身的高新技术 变频的调速技术是现代 IT 产业尖端技术 涉及到光纤通讯 计算机 数据并行处理等是多种高新技术的结合 与传统行业耗能大 应用最广泛的电力拖 动 风机 水泵等多种行业应用异步电动机的设备 进行节能改造实现完美结合 二 变频器控制对像二 变频器控制对像 变频器应用 可分为两大类 一种是用于传动调速 另一种是各种静止电源 静止 电源暂且不讲 变频传动调速 其应用目的就是通过对电机调速来达到节约能源 控制对象就是在动力设备上实现电 机转换的电动机 这是由感应式异步电动机的 性能和特征决定 其次是由于所带的负载对电机调速的负荷适应性所决定 由电机 转速的数学公式我们知道 电机的实际转速 主要取决于电机定子的旋转磁场 n1 t f p 对一个绕制好的电机 其旋转磁场转速完全取决供电频率 t 为时间 常数 P 为电机的极对数 n1 正比电源频率 f 从电机的结构上我们看到定 转子之 间没有任何电的连接 基于磁场感应和机械惯性 转子的转速和定子旋转磁场的转 速总是不同步 差一个转差数 一般为 n1 的 1 1 8 称为转差率 S 由此可 见电机的转速也正比于电源的频率 n2 t f 1 s p 从异步电动机变频时机械特性曲 线中 我们不难看出转速的变化对电机的转矩影响较小 对于传动机械功率要求完 全可以满足 变频调速控制是在降低输出频率的同时输出电压也相应降低 转矩正 比输出电压 转矩也会有些减少 这种纯电气调速系统是人为地改变电动机的机械 特性来获得不同的转速 直接与拖动机械相连接不需原机械设备做任何调整 这对 于节能改造成本 保持原有机械性能都大有好处 变频传动调速的特点是 1 不用改动原有设备包括电机本身 2 可实现无级调速 满足传动机械要求 3 变频器软启 软停功能 可以避免启动电流冲击对电网的不良影响 减少电源容 量的同时还可以减少机械惯动量 减少机械损耗 4 不受电源频率的影响 可以开环 闭环手动 自动控制 5 低速时 定转矩输出 低速过载能力较好 6 电机的功率因数随转速增高功率增大而提高 使用效果较好 三 风机 水泵节能三 风机 水泵节能 变频控制变频控制 机电设备配合设计原则 电机的最大功率必须满足负载下的机械功率和转矩 对于 不同的负载 最大值并非时时刻刻都发生 负载的变化是非线性的 而电机的输出 功率却是恒定的 这就意味着在非最大负载时电机输出了相当一部分多余功率 电 能也就白白浪费掉了 风机 水泵类就是较典型例子 风机 水泵类风量和流量的控制在过去很少采用转速控制方式 基本上都是由鼠笼 型异步电动机拖动 进行恒速运转 当需要改变风量或流量时 事实上都采用调节 挡风板或节流阀 这种控制虽然简单易行 能满足流量要求 但对电机来讲 从节 省能源的角度来看是非常不经济的 生产中很容易检测出来 这类设备一般都是长时间运行 甚至很久不停机 在实际检测中发现 除在极短时 间流量最大值外 近 90 时间运行在中等或较低负荷状态 总用电量至少有 40 以 上被浪费掉 采用变频调速控制 对风机 水泵类机械进行转速控制来调节流量的 方法 对节约能源 提高经济效益具有非常重要意义 四 风机 水泵的节能方法四 风机 水泵的节能方法 从流量控制原理上讲 风机 水泵的结构和工作原理基本相同 1 具体测试某工厂炉底风机散热控制系统 冶炼炉根据不同材料 需要不同的炉底 冷却温度 设计满足最大冷却风量设计为四台 18 5KW4 极叶轮式风机 全功率运转 但用最大冷却风量的概率极低 冶炼常用几种材料 四台风机对开风量过大 对开 两台时 达不到冷却要求 对开一对再侧开一台 冷却不均 无法满足工艺要求 原设计 4 台对开风机靠调节挡风板可满足冷却要求 但对电机来讲 浪费电能 风 板全开时 运行电流 24A 全关闭时 22A 输入功率从 17 0KW 18 5KW 变化 节电 率不足 8 针对这一特殊要求制定方案 对其中两台对开电机进行开环变频调速控 制 配合两台全速风机 即满足不同材料的温控要求 又能节约电能 按照这一方 案进行改造后 节电效果非常明显 针对其中一种材料需固定频率控制进行冷却 几 个月才换一次 设定频率在 25 35 之间 完全满足冷却要求 工频下运行时一台 18 5KW 风机 经变频器输出 每小时耗电为 11 9 度 小时 日耗电量为 285 6 度 24 小时 在正常运行时根据不同材料的温度要求 设定频率分别为 25Hz 30 Hz 35 Hz 40 Hz 和 45 Hz 运行测定参数如下 设定频率 Hz 运行电流 A 负载率 输入功率 Pin 1 24 小时耗电量 KWh 与工频下输入功率比 较 节电率 258 00 251 0324 72 285 6 24 72 285 6 100 91 34 3010 60 302 1351 12 285 6 51 12 285 6 100 82 3514 20 374 096 00 285 6 96 285 6 100 66 4 4017 40 406 4153 60 285 6 153 6 285 6 100 46 22 4520 00 459 0 216 00 285 6 216 285 6 100 0 244 5024 00 5511 9285 60 285 6 285 6 285 6 100 0 需要指出的是 变频器当输出频率降低时 输出电压也相应降低 输入功率明显减 少 对应频率降低时电压降低电机不会有温升 若频率不变时电压降低至浮动电压 下限值时 电机就会有温升 2 水泵节电 同风机原理很相近 以某酒店 750TRT 中央空调冷水机组水系统 90KW 冷冻泵和 55KW 冷却泵为例 主机制冷是根据温度的变化而工作 是非线性负荷 而 水泵电机基本上是线性恒功率输出 1 台 55KW 冷却水泵靠调整阀门来改变流量 虽 然能满足主机运行要求 但对于电机来讲节电意义不大 阀门的全开和全闭 电流 从 107A 97A 之间变化 平均节电不足 7 通过改造采用温度控制为主 压力控制 为铺进行闭环变频控制水泵电机 水泵电机平均节电率都在 30 以上 90KW 冷冻水 泵电机靠调节阀门电流在 163 148A 之间变化 平均节电不足 6 经闭环控制变频 调速改造后 节电率平均也在 30 以上 为什么会有这么大节电空间呢 因为中央 空调系统设计时的最大容量是以人流 气温 空间散热三项极限指标为依据计算的 即人流最大 气温最高 空间散热最差 平时出现这种情况的概率极低 从经 验上讲不到 10 空调系统大部分运行时间都在中 低负荷状态 空调主机的负荷曲 线是非线性的 而水系统的水泵负荷是线性恒功率的 以满足主机的最大负荷为标 准 这样在主机非最大负荷时水泵就必然存在着电能浪费空间 通过变频调速控制 使水泵电机的负载曲线符合或接近空调主机的负载曲线 3 高压变频控制传动调速控制设备都是在 3KV 以上大容量电机 一般都在几百 KW 到几千 KW 负载率大于 0 5 节电效率较低压变频控制略低 在 18 25 左右 电机 容量大耗电也多 虽然节电率较低 但用电基数大 也是非常可观 高压变频设备 技术复杂设备体积大 成本较高 操作必须专业技术人员 但整体效益还是很可观 的 五 变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析 五 变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析 显性效益就是指节电效益 变频控制传动调速对于负载性质和负载率的不同 节电 率也是不同 低压变频控制设备 一般负载率在 0 5 左右时 节电率在 20 47 左 右 比如定量泵注塑机 排污填水池电机 给氧风机等等 空调水泵基本上平均节 电率都在 25 60 左右 低压设备变频调速改造投资少 见效快 投资回报期基本 上在一年左右 隐性效益主要体现 1 实现了电机的软启软停 消除电机启动电流对电网的冲击 减少了启动电流的线 路损耗 2 消除了电机因启停所产生的惯动量对设备的机械冲击 大大降低了机械磨损 减 少设备的维修 延长了设备的使用寿命 3 空调水泵的软启 软停克服了原来停机时的水槌现象 除上述的有利一面 同时也存在一些问题 任何事物都不是绝对的 都要辨证去看 去分析 低压变频器输出波型为脉冲形式 会产生一些干扰 实际运行中单台干扰 不严重 以 30KW 容量为例 干扰福射基本在 10 米之内 在设计电路中加装陷波电 路或磁环或陷波线圈就可以将干扰减少到最少 一般使用时尽量远离电脑等怕干扰 设备 对于多台集中安装时安装位置要尽量拉开距离 还需专门加装陷波电路屏蔽 接地 将干扰减少到最低 高压变频设备干扰性很小 控制技术较高 输出电压波形近似正弦波形 但设备体 积较大 安装调试都比较复杂 六 变频技术目前市场应用情况六 变频技术目前市场应用情况 经市场调查 2000 年前变频器使用率不足 10 到二零零七年上半年增加超过 35 很多生产商生产的风机 水泵类的电机控制系统都配装了变频启动系统 说明 这项节能技术越来越被人们所认识 随着市场占有率的不断提高 成本价格较前些 年大幅下降 低压变频器分国产 合资 原装三大种类 完全是一个通用的工控产 品 合资产品相对价格低质量好 性价比合理 从使用情况看 只要不超负荷运行 很少发生故障 从设计使用上看 节能改造设计水平参差不齐 要想将节能改造工 程做好 需要专业技术人员把关 用电设备能否节电 不能不分情况一概而论 不 是所有用电设备都有节电空间 具体情况必须具体分析 注意那些将某一特殊用电 设备的节电率说成普遍的所有用电设备都能达到的情况出现 节电率在节电工程中 是一项非常重要的指标 但绝对不是唯一的指标 工程