变频调速应用技术_节能

1、变频调速应用技术节能6.4电能回饿效果升6.4.1变频遇到新问题6.4.1.1实例之1 一向下传输的瑕力负载ul獵(e)受羧运行阌6-23 f行艰力负载的电流特点如阁6-23(a)所承，当逭物向k运打时，31物本切的重力加速度将使也动机转f的转速超过冋步转速(即旋转磁场的转速)，而使异步电动 机处于再生状态(发电机状态h工频运行时.如阉6-23(b)所示，屯动机的码生屯流将妤致屯度衣的钔盘反转，说明这时足屯动机在向电源反馈屯能，屯度农的读数将逐渐减少。但在变频运行吋，如阁6-23所示，电动机的洱铯电流却只能反馈到直流回路，产生泵升电压，耵通过制动电附和制动单元把名余的电能消耗掉。由于变频器前级

2、的整流桥p、能吶方向导通.所以，变频器输入侧的电流等于0, iii度表的铝盘将处子不转状态。例奍比较的结采是，工频运行的节能效果优卞变频运行。6.4.1.2实例之2抽油机图6-24抽油机示意图抽油机俗称磕失机.如閣6-24所示，炅油旧中的一种m耍采汕设备，数极大。故如能够v/能.将具苻重大意义。实践表明，抽仙机采川变频调速后，在提商抽汕效率方面，具苻相当优奶。但在节能方面.却遇到了和上述束力负载类似的问题。当抽油姚下降吋，抽油締本身的觅力加速度使电动机转子的转速超过同步转速(即旋转磁场的转逨)，而使异步电动机处于再生状态(发电机状态。因此，工频运行吋，屯度表的铝盘在抽油罐下降吋是反转的;而变频

3、运行吋,屯度表的铝盘是不转的。两者对比，变频运 行吋的节能效果不如工频运行。6.4.2电能回馈大家喜6.4.2.1冋馈制动中.76g ncrpcabcn 3 n图6-25回馈制动单元解决i.述问题的基本思路足，把变频器直流m路屮的泵升屯伍逆变成三相交流也，反馈给屯源，如阁6-25所示。阁屮，rg足回馈制动中. 元，实际上也是一组三相逆变桥电路。k输入端变频器直流回路的？蹦（正湖和n端（负端）相接，输出的是三相交变电压，与三相电源相接。在rg的输出端与变频器的输入端之间，应接入交流电抗器，以防止在反馈过程中可能产生的屯压冲击对变频器的影响。这样，当电动机处于再生状态时，所产生的屯能也同样反馈给了

4、电源.捉萵了节能效果。实践证明，采川了回馈制动单元后.非但提高了节能效果，并i制动转矩大，使拖动系统的运行盥加稳定。6.4.2.2屯能回馈变频器阁6-26电能冋馈变频器固前，咁场上己经出现了具苻回馈功能的也能回馈变频器，如阁6-26所示。二极管vd1vd6用子三相企波整流，igbt管vt1vt6接受反馈控制板的拉制，向屯源回馈屯能，反馈控制板的拉制依据，便适变频器内部的直流屯压.可以预期，屯能冋馈变频器作为变频器的一种派生系列，必将迮各种越朮机械、屯梯等i力负载中，获得广泛的应川。6.5流体功率看节能6.5.1基本模型看分明 6.5.1.1水汆装诨的蓰木模哨阁6-27水眾装背的基本模型如图6-

5、27所示。图中,uf是变频器，m是电动机，p是水泵。水泵的功能是把水从水池吸入,加压后输送到所需要的地方去，如工厂的各车间、大楼的各楼层以及生活小区等。6.5.1.2供水系统的主耍参数流虽是吶位时间内流过管道内某-截而的水流撗.在管道截面不变的怡况下，k大小决定于水流的速度。符号足q，常用咻位是m3/s。（2）扬程足单位道世的水通过水泵所获得的能坫，符兮是h。因为在工程应用屮，常体现为液体上扬的尚度，故常用单位显m。静态扬程-足供水系统为了提供一定流跫必须上扬的离度，也叫实际扬程，符号足ha,在图6-27中，ha体现为从水池的水平面到管路最商处之间的上扬岛度.也称为静扬程。动态扬程符号是hd，

6、是供水时兑服了谷部分管道内的磨擦损失和讥他损失后，使水流具夼一定的流速所谣娈的扬柷，动态扬捏是不能爪离度來表示的。全扬程动态扬权勾浒态扬程之和，称为全扬裎，符号足hg.也叫工作扬权。hg=ha+hd （6-9）式中，hg全扬程，m;ha一静态扬稅，m:hd动态扬程，m;（3）管阻是阀门和管道系统对水流的阯力.符号是r与管路的直径和长度、管路各部分的阯力系数.以及液体的流速等因索有关。因为不足常数.难以简笮地川公式來定最地计算，通常w扬程与流镝间的关系曲线來描述，（4）压力是表明供水系统中某个位罡（某一点）水压的物理盘.符号是p» m大小在静态吋主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动

7、态情况下，则还与供水流摄与）1 j水流铤之阏的平衡情况育关。6.5.1.3系统各部分的功率（1）系统输入的全功率变频器从电源吸取的三相电功率，也就足变频水聚拧路系统的全输入功率。孔坫木u锌公忒足:ps=、j ulisa (6-10)式中，ps 变频器的输入功率，kw;ul 电源的线电压，v:is 变频器的输入线也流，a:入一变频器输入侧的功率因数(主耍玷畸变因数)。(2) 变频路的输出功率也是屯动机的输入功率。当工作频率为fx吋，变频器的输出电压为ux,输出功率为pm。其骓本计箅公式是：pm= uximcos(p1 (6-11)式屮，pm 变频器的输出功率(电动机的输入功率)，kw:ux 变频

8、器的输出线电压，v;im 变频器的输出线电流，a:coscpl电动机定子侧的功率冈数(位移冈数)、曲于变频器的功率损耗在系统中所占的比例较小，般可以认为：pm=psqv«ps (6-12)式屮qv变频器的效率。(3) 电动机的输出功率(轴功率就是电动机轴上输出的机减功率，也足水泵的输入功率。当工作频率为fx时，电动机的转速为nmx，轴功率为plx。犹基本计筇公式是:plx= 9550(6-13)式中，plx 电动机的轴功率，kw;tmx 电动机的电磁转矩，n m；nmx 与频率fx对应的枝述，r/mino轴功率与变频器输出功率之间的关系是：plx=pmr)m (6-14)式中，r)m

9、屯动机的效率。(4) 水泵的输出功率(流休功率)就是水泵在取水和供水赞路屮消耗的功率。当筲路屮的流敏为qx吋，流体功率为pgx。闪为取水和供水管路屮的主要参数是扬程和流姑，所以丼基本计符公式赶：pgx=0.163hxqx (6-15)式屮，pgx 流体功率，kw;hx 取水和供水过程中的全扬程，m;qx 管路中的流里，m3/miru流体功率与轴功率之间的关系是：pgx=plxqp ( 6-16)式屮，qp水泵的效率。i:述各部分功率之叫的失系如阁6-28所1 6-28各部分功率之间的关系6.5.2管路工况看特性6.5.2.1扬椏特性图6-29供水系统的扬程特性以管路中的阀门幵度不变为前提，表明

10、在某一转逨卜，全扬程与流敌间关系的曲线ht=f(q).称为扬程特性曲线，如阁6-29所示。扬程特件:的物理意义赶：川户川水越多(流虽越大)，赞道中的磨擦损失以及提商流萤所擗的扬程也越大，佥扬程则越小。扬程特性的起点称为空载扬程ho.宂物埋意义是：缉流体的流显趋近于芩吋，所能达到的圾岛扬程。空载扬权与转速存关：水泵的村速下降，典供水能力也下降，则卒级扬松下降，扬松特性也随之下移，如阁6-29(b)所示。扬程特性反映了用户的川水状况对金扬程的影响。在这狙，流逭的大小取决于用户，足14川水流虽”，用qu表示，6.5.2.2管阻特性°02东一f g qz qx q(a)(b)阁6-30供水系

11、统的矜附特性以水泵的转速不变为前提，攻明阀门在某开度下，扬程与流跫问关系的特性曲线ht=f，称为管阻特性曲线，如图6-30(a)所示 管阻特忱表明丫管路的阻力对流苽的影响。即：流苽越大，克服管阻所谣的扬程也越大，故全扬程越大。行附特性的起始扬裎等于静扬裎（ha）。：k物理意义足：如來全扬程小于静扬程的话，将不足以兑服幵路的行肌，从而不能供水，因此，靜扬程也是能够供水的“堪本扬稈'管阻特性与阀门的开度有关:当阀门关小时，管阻增大，克服管阻所箝的扬程也增大，故管阻特性将上扬,如图6.30（b）所示，管阯特性表明.通过改变管阻大小（阀门开度，可以控制供水能力。在这里，流萤大小取决子阀门的开度

12、，是山供水侧决定的。故管附特性的流摄，可以汄为是“供水流最"，用qg來表示。6.5.2.3供水系统的工作点扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点。在这一点：供水系统既满足了扬程特性.也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。11 6-31供水系统的工作点例如，当阀门全开，水泵在额足转速下运行时，典工作点如阁6-31中之n点。这时，流攒为qn,扬程为hn。6.5.2.4流体功率中的擢本功耗由式（6-15）知，供水系统向用户供水吋所消耗的流体功率pg与流量和扬程的乘积成正比。在图6-31中，流体功率与而积odng成正比。在这里.与静扬程对应的功率pa与而积od

13、ea成正比。pa的物理意义足：克服舴扬程所消耗的功率。如上述.为了能向用户供水，水泵的输出功率必须大f pa、或冇说，水泵的输出功率中，大于pa的部分，才是川户得到的流体功率。因此，pa足管路系统的基本功耗，也可以看作足广义的空战损失*当流撖为qx时，基本功耗可计算如下：pax=0.163ha qx （6-17）式屮，qx 管路中水的流银，m3/min：pax与qx对应的基本功耗，kw。6.5.3流体功率节能评6.5.3.1不同控制方忒的节能效果在供水系统屮，圾根木的控制刈象足流斌q。因此，耍过论节能闷题，必须从考察调节流记的方法入手。常见的方法宵阀门控制法和转速控制法两种。（1）阀门控制法即

14、通过关小或开大阀门來调竹流虽，而转速则保持不变（通常为额定耖速），阀门控制法的实质足水泵本身的供水能力不变，而足通过改变水路中的阻力大小來“强行”改变流蛍，以适应用户对流蜇的滞求。这时，管 肌特性将随阀f j开没的改变而改变.似扬权特性则不变。阁6-32不同控制方式的节能效果如阁6-32所示，设用户所蒞流盘减小为qb,当通过关小阀门来实现吋，扬程特性不变,仍为曲线，管阻特性则由阀门全开时的曲线改变为曲线，供水系统的工作点由额定状态吋的n点移至b点。这时：流量由qn减小为qb;扬程由hn増加为hb;由式（6-15知，供水功率pb与面积oebf成正比，（2）转速校制法即通过改变水泵的转速來调w流觅

15、，而阀门开役则保持不变（通常为敁大开度。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力來适应川户对流谞的志求。当水鉍的转速改变吋，扬稅特性将随之改变，而筲阯特性则不变。仍以用户所谣流摄等于qb为例，当通过降低妗速使qx=qb时，扬程特性由曲线移至曲线，管pu特性则仍为曲线，故工作点移至c点。这吋：流量减小为qb;扬程减小为he;供水功率pc与面积oech成正比。（3）w种方法的比较比较i:述两种调节流祛的妍去，可以肴出：迮所谣流银小于额定流带（qx=qb<qn）的怙况下，转速控制吋的扬祝比阀门控制吋小得多，所以特速控制方式所擗的流体功率也比阀门控制方式小得名。两者之差5p便姑转速控制方式节约的

16、流体功率，它与而积hebf （阁6-23中的阴影部分）成庀比。这就是流休功率的竹能效果.也足变频调速供水系统具存甘能效果的最基木的方而。6.5.3.2流体功率甘能的特点（1）节能效果与流遠的关系.如阁6-33:(a)淹fi较大(b)液ffl城小(c)洧景史小(d)货能曲线阁6-33节能效果与流盘的关系阁6-33(a)足流虽较大时的情形。这时，流虽勺额定流®相差不多，故节约的功率较少，为5pg1:阌6-33(b)足流虽进一步减小后的怡形，这时，节约的功率较多，为如g2;阁6-33(c)是流鼠很小时的怡形。这吋，因为粮个系统泊耗的功率本就不多，故节约的功率也就有限，为5pg3。综合之，则

17、节能效果与流银的关系如阁6-33(d)所示。可记，并不足流最越小，节约的功率越多。(2) 节能效果与静扬程的关系hoif(«舴扬杓较小日4(b)杼扬?较人射阁6-34静扬柺对廿能效果的影响静扬程越人.则供水时的基木功耗越人，调竹流植时的可变功耗越小，节约的功率越小。如阁6-34和(b)屮之阴影部分所示。(3) 不同静扬程的典型例子水泵管路系统的类型很多，如供水管路、取水管路、循环水管路等。供水管路乂布许多具体的类型，难以尽述。这狙只报据静扬程的大小，讨论两种比较典型的怙形： 商楼供水阁6-35供水鉍站的特点这是许多比川违筑的特点，如阁阁6-35(a)所示。供水系统的特点足：静扬程ha

18、1较大，m:管阻特饨如阉6-35中之曲线所示。由阁知.災转速调节的范圆较小，且基本功率所占比例较大，采川变频调速后的节能空间苻限。车间供水大多数t厂的牟间邡是低层违筑，如阳陶6-35(d)所示。供水系统的特点足：静扬程ha2较小，驻管阻特性如阳6-35中之曲线所示，与岛楼供水相比.转逨调竹的范闱较大，基本功率所占比例较小.采川变频调速后的甘能效果比较显著。6.6轴t功率看节能6.6.1轴上功率是上级6.6.1.1基本功率在轴功率中的反映水泵屈于二次方律负哉，其轴功率的计箅公式是：pl=p0+kp nl3 (6-18)式屮，pl 水泵的轴功率，kw:po 空我功率或损耗功率，kw:nl 水泵的轱

19、速，r/min；kp -比例常数。所谓节能效粜，是对两种工作状态比较的结染。比较吋，必须区分叫种工作状态中的共同部分和不同部分，因为共同部分在比较过程中总蛣互相抵消的。当讨论变频调速供水系统的节能效果时，则是对转速较商和转速较低(阀门开度相同)时消耗功率的比较。从前而的吋论中nj以荇出.供水系统中的基本功率pa是消耗功率的共同部分，就是说.不论转速商低，都必须把水上扬辛:静扬程后,才能开始向用户供水。闪此，对于个用于供水的电力拖动系统來说，式(6-18中的免绂损失应该广义地现解力既乜括水荥空辟时的机诚损失，也乜拈供水 系统向用户供水吋必须消耗的基本功率,如图6-36所示:阁6-36机械特性屮的

20、基本功率pqo=po+pa （6-19）式中，pqo 广义的空载损失，kw:pa 基本功率，kw。6.6.1.2机械特性的修正广义空载损失在机慽特性上也必然苻所反映，使式（6-18）所示的机械特性方程修正为：tl=to+ta+ktnl2 （6-20）式屮，ta与基本功率对应的基本转矩，n m,基木转矩ta的物现意义，可以现解为为了把水上扬到实h扬程（斿态扬程）所谣娈的转矩。6.6.1.3轴功率的节能的式（6-18）分析竹能效泶吋，闪为是许:金速运行和降速运行之问进行比较的。比较吋常常忽略了在调节阀门开度时，轴功率的变化，事实上，在关小阀门开度而减小流蛩时，也动机的轴功率也是苻所减少的，如閲6-

21、37中之曲线所名。冈为-般惝况下，流摄是和转速是成ie比的。所以，阁6-37的横平标也可以是转逨，故曲线足根椐式（6-18箅得的功率曲线阁6-37轴功率与流玷的艽系|线和曲线之叫的差位.便是阀门控制方式和转速控制方式的轴功率之差：5pl=pl2-pl1 （6-21）式中，5pl 低速运行时节约的轴功率，kw:ph 转速f降后的轴功率，kw: pl2 关小阀门时的轴功率，kw6.6.2水泵效率出差异 6.6.2.1明显的矛珩阁6-37农明，轴功率的节能效泶基本上足单调变化的，即流狱越小，节能越名。这和阁6-33(d)所示的流体功率节能效栗的变化规律明敁地不一致。为什么会产生这样的矛膪呢？事实上，

22、流体功率和轴功率之间的差异在于水泵的效率：pg=plqp (6-22)式屮，pg 流体功率，kw:pi 轴功率，kw:hp 水泵的效率。据有关资料介绍，水泵工作效率相对侦rip"的近似计銘公式如下：式屮，np'水泵效率的相对值;q*-流摄的相对位：n*-转速的相对值；c1、c2常数，由制造厂家提供。c1与c2之间，道循如下规律：c1-c2=1(6-24)6.6.2.2调节转速时的水泵效率山子在阀门开度不变的惜况下.流母cf和转速n*是成正比的：q*/n*=1故：hp*=i所以，采用转速挖制方式时，水泵的t作效率总足处f锻佳状态，驻效率曲线如阁6-38屮的曲线所示，ty釁as6

23、-38水泵的效率曲线6.6.2.3调以阀门开役时的水鉍效率当通过关小阀门来调节流虽q*时，由于转逨不变，n*=1,故比悄q*/n*=q代入式(6-23)，得：qp*=c1q*-c2q*2 (6-25)所得效率曲线如图6-38屮的曲线所示。由图知，采用调节阀门开度来调节流费:时，水泵的效率将随着流堡的减小而减小。6.7电源功率卷节能 6.7.1低速运行负哉轻水泵在低频运行时，关系节能效災的核心问题足“大冯拉小车"的问题。原因如下:6.7.1.1设计裕盘较大阁6-39水浆的低频运行阁6-39(a)为水泉悦型，山于用户的行道系统足各不和m的，水荥生产厂不可能对用户的赞道系统作明确的限定。所

24、以，在决定电动机容银时，裕策往往偏大：6.7.1.2低速运行的工况离心忒水泵在额定频率以卜运行时.负紱转矩下降较多，如阁6-39(b)屮之曲线所示。而电动机的釘效转矩则减小较少，如阁屮之曲线所示，形成“大马拉小车”的状态。(曲线是电动机的自然机械特性)，6.7.2功能预迓勿卷轻6.7.2.1关键在于捉岛电动机的效率如li'lf述，大马拉小车的结果，是屯动机的效率降低，冈此，如耍进步提离电动机输入侧的斿能效果，必须提岛大马拉小车吋的屯动机效率。67.2.2 ie确顶哲功能的意义针对二次力律负战迮低频运行吋，锌遍存在大马拉小车的现象，变频器专门没咒了和关的节能功能因此.屯动机输入脷的电功率

25、节能效果和变频器的功能预涅有关。k中，尤以正确预稅u/f比(转榭提升)功能敁为茁要。举例说明如下：阁6-40功能预咒的影响假设水泵在较低频率fx1下运行，.kbi转矩较小，与此对应的电流一电压曲线如阁640(b)所示，敁佳工作点为a点。变频器在出厂吋，u/f线常常预迸为稍有补焓的状态，如阁6-40(a)屮之曲线所示，与fx1对应的电伍是uxb，从阁b的屯流一电伍曲线上知道，这时的定子电流为i1b，比最佳工作电流i1a大得多。如果将u/f线预酋为低减ee频比，如阁a中之曲线所示.把与fx1对应的电乐下降为uxc，从阁6-40(b)的电流一电压曲线上知道，这吋的定子电流将减小为he.与敁佳工作电流

26、i1a十分地接近了， -般说來，低减甩频比不大可能使电动机运行汉扱佳工作点，似可以使电动机的定子电流减小到接近驳小电流的程度。山此可见，正确预胥变频器的功能，对于提商电动机效率、进一步提商电功率的节能效米.具有i分银要的意义。6.8经济效益全面评6.8.1故陪减少足效益与笼形异步电动机相比.-k他电动机的故障率邡较高，分述如下：6.8.1.1直流电动机直流屯动机的电刷和换向器超最大的渖弱环节,非但机械磨损大，而且因为有火花的原闪,故障率儿乎始所有电动机屮的圾离者。6.8.1.2绕线转子异步屯动机绕线转子异步屯动机一方面苻屯捌和滑坏，也是比较容砧损坏的部件，而鼠笼式异步电动机则无此傅弱环节。6.

27、8.1.3电磁凋速电动机屯磁调速屯动机也有电刷和消环，不过通过的屯流较小而已，但毕竟也足郯弱环节。生产机诚往生产过程中，旦因电动机发生故障而停机，所造成的损失，也应和采川变频调速的经济效益联系起來。例如印染机械,原来用直流电动机实现多单元同步控制(通常有615个单元或更多，每次在运行过程中,电动机如发生故陣，则:(1) 该匹布报废；(2) 把报泼的布取下以及把新布穿上花费的时间：(3) 修理电动机所葙的资金与时间;(4) 各种染料及典他材料的损失。所苻这些损失加起來，宂价仇往往超过购买变频器的钱。6.8.2春命延长是效益6.8.2.1彻底消除供水系统屮的水饨效应在供水管路中，水锤效应具葙很大的

28、破坏作用，说明如下:(1) 起动时的水锸效应异步屯动机在金压起动时从静止状态加逨到额记转速，所需时间只宵0.25s，这意味着在0.25s的时间臟，水的流根从岑狨增到额定流凿。山子流体具苻动谞和一定程度的河压缩性，因此，在极短时间内流蛍的巨大变化将u起对管道的压强过岛或过低的冲击，并产生空化现象压力冲缶将使管壁受力而产生噪咅，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应，水锤效应具有极火的破坏性：伍强过萵，将引起管子的破裂：反之，压强过低，又会导致啻子的娘mb此外，水钝效应也可能损坏阀门和固定件。(2) 停机时的水铺效应如果il水鉍切断电源.使之hl山停机，供水系统的水尖将兑服电机的惯性而使水泵急剧地停止

29、，这也m样会引起伍力冲击和水飩效应。(3) 产生水锤效应的原冈产生水锤效应的根本原冈,赶在起动和制动过程中的动态转矩太大。冈为茌拖动系统屮，决记加速过程的始动态转矩tj:tj=tm-tl (6-26)1*1 6-41水泵的全压起动和变频起动异步电动机和水泉的机诚特性如阁6-41(a)所示。阁屮，曲线是异步电动机的机械特性：曲线足水呆的机械特性：阴影部分便是动态 转矩tj。山阁6-41(a)知，水泵在直接起动过程中，拖动系统动态转矩tj的足很大的。所以，加速过程很快。(4) 水饨效应的消除采用了变频调速后，可以通过对升速吋间的预贸來延氏起动过程，使动态转矩大为减小，如阁6-41(b)所示。阌中，曲线族是异步!li动机在不同频率下的机械特性：曲线足水泉的机滅特性：中间锯w状的阴影部分足升速过程中的动态转矩(即不同频率时的屯动机机城特性与水泵机械特性之差。在停机过程屮.同祥可以通过对降速时间的顶谠來延长停机过程，