变频节能的三个方面

1、变频节能的三1 个 y 1 一 方面 张燕宾( 1 9 3 7 一) 男，毕业干上海电机学院的t 业企业自动化专业和吉林函授学院的数学系，高级t 程师。 1 9 6 9 年前曾先后在长春工业大学和长春大学任教。曾任宜昌市自动化研究所副所长，宜昌市 科委深圳联络处主任、宜昌市自动化学会理事长，湖北省自动化学会常务理事等职。退休于 宜昌市自动化研究所。退休后从事变频调速技术的推j “应用。主要工作有：每年应邀任各地 主讲变频调速学爿班，在各种杂志上发表介绍变频调速应用方面的文章百余篇t 编写变频器 应用方面的通俗读物。已经出版的著作有( ( s p w m 变频调速应用技术( 第一、第二、第三 版

2、) ，变频调速应用实践 ( 主编) 、电动机变频凋速图解，实用变频凋速技术培 训教程、常用变频器功能手册，变频调速4 6 0 n ) ) ，变频器应用教程、 变频 器的安装、使用和维护等。 时至今日，知道变频调速的人已经相当地普遍了。大多数 人一提起变频调速，总是和节能挂起钩来。尤其是改革开放以 来，由于各行各业的蓬勃发展，尽管我国在能源开发方面进展 迅速，但还是跟不上需求的增长，节能问题始终处于相当突出 的位置。变频调速的节能效果因此也格外地引人注目。 总体上看，变频调速的节能，主要是三个方面，分述如 下： 1 减少工频运行的浪费 第一个方面，是工频全速运行时，拖动系统提供的能量 超过r 负

3、载的需求，造成浪费。例如： ( 1 ) 空压机的泄载 空压机在全速运行的情况下，当储气罐内的压力太高 ( a )( b ) 图1 浪费能源的实例 ( a ) 空压机的泄载( b ) 水泵的回流 时，常常用泄载阀放掉多余的压缩空气，使储气罐内的压力 保持平稳。这放掉的压缩空气，实际上就是一种浪费，如图1 ( a ) 所示。 ( 2 ) 给水泵的回流 锅炉的给水泵在今速运行的情况下，当锅炉内的水位 太高时，通过回流阀将水泵打出去的水部分地回流到贮水罐 中。这回流的水，也是一种浪费，如图l ( b ) 所示。 1 1 调速运行的节能原理 针对上述情况，如能根据需要调整转速，使机器的平均 转速降下来，

4、就可以节能。 ( 1 ) 恒转矩负载 如图2 ( a ) 所示，是恒转矩负载调速运行的结果。带式 输煤机在全速运行时，常常由于煤的堆积而浪费人力和物 力，如果根据需要来调节输煤的速度，把平均运行转速降到 额定转速的6 0 的话，则与全速运行相比，可以节能4 0 。 ( 2 ) 二次方律负载 图2 ( b ) 是风机水泵类负载，被称为二次方律负载，当 平均转速降到额定转速的7 0 时，与全速运行相比，可以节 能6 6 。 ( 3 ) 调速节能的实质 负载平均转速的下降，实际上是负载消耗的功率下降 了。因此，通过降低平均转速来节能的实质，是电动机根据 14 万方数据 负载的实际需要提供机械功率，消

5、除了因不必要的浪费而实 现了节能。这是节能运行中最重要的一个方面。 刀x 1 0 0 6 0 o 刀i 1 0 0 t o o 图2 降低平均转速的节能 ( a ) 恒转矩负载( b ) 二次方律负载 1 2 节能计算举例 某纺织厂的排风扇，原来是全速运行的，采用变频调速 后，非但能自动地调节车间内的温度和湿度，并且由于年平 均转速n 。降为额定转速n l s 的7 0 。 n l = o 7 n l n 式中，n l 一负载的平均转速，r m i n ， n l n 一负载的额定转速，r m i n 。 负载所消耗的平均功率为： p l k p ( o 7 n l s ) 3 = o 3 4

6、 3k p e n l n 3 = 0 3 4 3p l n 式中，p l 一负载消耗的平均功率，k w ， k p 系数； p 。n _ 一负载的额定功率，k w 。 节约电功率： a p l = p l n p l = 0 6 5 7p l n 式中，a p l 节约的电功率，k w 。 假设电动机的容量为2 2k w ，则每台风扇节约的电功率 为： a p l = 0 6 5 7 2 2 = 1 4 ，4 5 k w 按每天工作2 4 小时、每年工作3 0 0 天计，则每台风扇一年 可节约电能： w = 1 4 4 5 2 4x3 0 0 = 1 0 4 0 4 0 k w h 式中，w

7、 一节约的电能，k w h 。 每k w h 的电费按0 6 元计，则一年可节约电费： ￥= 0 6 1 0 4 0 4 0 = 6 2 4 2 4 元6 2 4 万元 式中，￥一节约的电费。 可见，节能效果是十分可观的。 2 提高拖动系统的效率 节能的第二个方面，是通过提高设备的效率而获得的。 2 1 提高生产机械的效率 这方面的典型例子是水泵。 ( 1 ) 水泵效率的计算 水泵的输出功率p g 与轴功率( 输入功率，即电动机的输 出功率) p ，之比，即为水泵的工作效率，符号是f 1 ，： d t 1 ，= 詈 ( 1 ) ， 式中，t 1 广水泵的效率， p g _ 一水泵的输出功率(

8、供水功率) ，k w ； p 广水泵的输入功率( 轴功率) ，k w 。 图3 水泵的效率 据有关资料介绍，水泵工作效率相对值t 1 的近似计算公 式如下： n ，：c ( 嬖) 一c ：( 嬖) ： ( 2 ) v 式中，t 1 ，水泵效率的相对值； q - 一流量的相对值； n 转速的相对值， c 。、c 厂常数，由制造厂家提供。c 。与c ：之间， 通常遵循如下规律： c 1 一c 2 = l( 3 ) ( 2 ) 阀门控制方式的水泵效率 当通过关小阀门来调节流量q + 时，由于转速不变，n 。= l ，故比值q + n = q + 。 就是说，采用调节阀门开度来调节流量时，水泵的效率

9、将随着流量的减小而减小，如图3 中的曲线所示。 ( 3 ) 变频调速时的水泵效率 由式( 2 ) 町知：当采用凋节转速的控制方式时，由于在 阀门开度不变的情况下，流量q 。和转速n 是成正比的： q 1 1 = 1 t 1p = l 就是说，在变频调速的情况下，水泵的工作效率总是处 于最佳状态，效率曲线如图3 中之曲线所示。 所以，采用了变频调速，也就提高了水泵的效率。 2 2 提高电动机的效率 ( 1 ) “大马拉小车”的浪费 “大马拉小车”的含义是：电动机的有效转矩( 在额定 转速下是额定转矩) 比负载的实际转矩大得多。 要了解电动机在大马拉小车时的浪费，必须分析电动机 在轻载运行时的功率

10、损耗的情况。 a 机械损失 电动机在轻载运行时的机械损耗功率和额定运行时相差 罢慧瓣p 白a i 鲥：4 石匕博览15tr - - 百i v f a - i l l la ua 哥订n 1 石i r 万方数据 不多，而由于负载较轻，故机械损耗功率在输出功率中所占 的比重增加了。 b 铁损和铜损 在异步电动机里，磁通的大小是和反电动势与频率之比成 正比的。而反电动势的大小又等于电源电压与电阻压降之差： 中。：k 。垃：k 坠二到( 4 ) x x 式中，中。电动机每极下的磁通，w b ； e 。电动机一相绕组在频率为时的反电动势， v 乓c - 一电动机的工作频率，h z ， k 。一比例常数；

11、 u l r 电动机在频率为时的相电压，v i i ，x 电动机的相电流，a ； r ，一电动机每相绕组的电阻，q 。 由式( 4 ) 知，如果电压偏高，而负载又较轻( 从而电流 i 。较小) 时，反电动势增大，磁通也增大，磁路趋向饱和，铁 心里的涡流损失和磁滞损失增加。 与此同时由于磁路开始进入饱和段，励磁电流和定子 电流1 1 也较大。如图4 ( a ) 所示，铜损也增加。 可见，轻载运行时，电动机的输出功率减小，而损耗却 增加了。所以，效率将降低，造成浪费。 ( 2 ) 提高效率的途径 因为机械损失是无法改变的，所以，提高效率只能从减 小铁损和铜损着手。 由式( 4 ) 知，在轻载的情况

12、下，如果适当降低电源电 压，可使反电动势和磁通减小，磁路不再饱和，如图4 ( b ) 所示。非但铁损减小，且因为励磁电流的减小，铜损也减小 了，从而电动机的效率得到r 提高。 变频器由于其u 砖匕可以任意调节，所以，针对大马拉 小车的情形，可以十分灵活地实施降压节能，成为了变频节 能的一大亮点。 ( 3 ) 低频轻载的节能措施 风机、水泵类二次方律负载在低频运行时，在不采取特殊 措施的情况下，无一例外地处于大马拉小车的状态。如图5 ( a ) 圈4 电动机的矢量图 ( a ) 大马拉小车时( b ) 适当降低电压 所示，曲线是风机的机械特性，曲线是电压与频率成正比 ( 转矩提升量等于0 ) 时

13、，电动机的有效转矩线。由图5 ( a ) 知，在转速等于5 0 额定转速时，电动机的有效转矩比负载的阻 转矩大了许多，负荷率约只有0 2 8 0 9 6 = 2 9 0 0 。 图5 异步电动机带风机 ( a ) 无补偿有效转矩( b ) 低励磁u f 线( c ) 低励磁有效转矩 为了降低电动机在低频运行时的电压，转矩提升线应该 选择“低励磁u 线”。所谓低励磁u f 线，也叫负补偿u f 线，如图5 ( b ) 中之曲线所示( 曲线是转矩提升等于0 时 的u f 线) 就是说，在低频运行时，电压非但不增加，反而 还要减小。所得的有效转矩线如图5 ( c ) 中之曲线所示， 在转速等于5 0

14、 额定转速时，电动机的负荷率增加至0 2 8 o 5 0 = 5 6 ，从而提高了电动机的效率。为了防止启动困难， 在预置u f 线时，也应该预置一点零速时的转矩提升量，如 图( b ) 中之a u c 所示。 有一种叫“超能士”的变频器，能够自动地搜索最佳工作 点，节能效果特别好。但由于搜索的过程较慢，动态响应能力 很差。所以，只能用在风机，水泵类的二次方律负载上。 ( 4 ) 额频轻载的节能措施 如图6 ( a ) 所示的拖动系统，5 5 k w 的电动机在额定频率 下运行时，实际工作电流只有6 2 a ( 额定电流为1 0 2 ，5 a ) 。 很明显，该电动机处于大马拉小车的状态。针对

15、这种情 况，可以通过适当加大基本频率来降低电动机的工作电压。例 如，把基本频率加大为5 5 h z ，变频器的输出电压为3 8 0 v ，则 5 0 h z 时，变频器的输出电压只有3 4 5 v 。从而实现了降压节能。 ( 5 ) 低频重载的节能措施 有的生产机械，采用变频调速后，上限频率很低。这说 明负载实际所需的功率比电动机的额定功率小很多，实际上 也是一种大马拉小车。 如图7 ( a ) 所示，有一台机器，电动机的数据是9 0 k w 、 以 3 8 0 3 4 5 0 ( a )( b ) 图6 额频轻载的节能方法 ( a ) 额频轻载实例 ( b ) 降低电压的方法 16自主匀t

16、匕博览2 0 0 9 j f - 0 9 , e j 刊 i u - - t o m a t i o np a n o r a m a - 万方数据 1 6 4 3 a 、1 4 8 0 r m i n ，计算出额定转矩等于5 8 0 n m 。实际运行 电流是1 5 0 a ，负荷率芎= o 9 1 。实现变频调速后，根据工艺 要求，上限频率只有3 0 i - i z 。 盛 l 鼎毋 0 8 稿 l 图7 低频重载的节能方法 ( a ) 低频重载实例( b ) 加大传动比( c ) 加大基本频率 任何调速电动机，当转速低于额定转速时，其有效功率 都要随转速的下降而减小。异步电动机在3 0

17、h z 时的有效功率 是： 2 务旬o 詈4 娜 式中，p m e _ 电动机低频运行时的有效功率，k w 。 p 俐一电动机的额定功率，k w ， f 一电动机的实际工作频率，h z ； f n i 一电动机的额定频率，h z 。 负载侧的数据计算如下： 电动机运行在3 0 h z 时的转速： n m x - n 硎务= 1 4 8 0 x 丽3 0 一s 8 8 r m 证 式中，n d 【- 吨动机的实际转速，r m i n l n 删一电动机的额定转速，r r a i n 。 负载的转速： n l = n m x 入= 8 8 8 4 = 2 2 2r m i n 式中，n 广一负载的

18、转速，r r a i n 入传动比。 负载的转矩： t l = t v a s 入芎= 5 4 0 4 0 9 = 2 0 8 8 n q n 式中，t l 一负载的转矩，n m ， 1 一电动机的额定转矩，n m ， e 一电动机的负荷率。 负载转矩折算到电动机轴上的折算值： t 。，：互：一2 0 8 8 ：5 2 2 n m 。 五4 式中，t l 一负载转矩的折算值，n m 。 负载的功率： p t ：墼：2 0 8 8 x 2 2 2 = 4 8 5 k w 一 9 5 5 09 5 5 0 式中，p 广负载的功率，k w 。 可见，负载只有4 8 5 k w ，而拖动它的电动机却是

19、9 0 k w 的，属于大马拉小车。但是从转矩的角度看，电动机的额定 转矩比负载的折算转矩大不了多少，又不是大马拉小车。怎 样节能呢? 如果把传动比加大为6 5 ，那电动机的转速就应该上升为 1 4 4 3r m i n ，工作频率增大为4 9 h z ，电动机的有效功率也就接 近于额定功率了。从转矩看，负载的折算转矩减小为： t l ：阜：2 0 8 _ _ _ _ 8 8 = 3 2 1n o m 。 五6 5 如图( b ) 所示。而电动机的额定转矩有5 8 0 n m ，负荷率 只有： # ，：二l ：三竺：05 5 5 8 0 于是，大马拉小车的特点体现了出来。再通过加大基本 频率。

20、例如，把基本频率加大为5 6 h z ，则与5 0 h z 对应的电压 就只有3 4 0 v ，实现了降压节能。 这个例子的实质，是把功率的大马拉小车，通过加大传 动比，转化成转矩的大马拉小车后，再实施降压节能。 2 3 充分利用拖动系统释放的能量 变频节能的第三个方面，是把拖动系统在运行过程中释 放的能量充分利用起来。 ( 1 ) 拖动系统释放的能量 拖动系统在运行过程中，常常会释放机械能。主要是两 种情况： 第一种是减速运行，高速运行时，拖动系统的动能较 大，转速下降后动能减小。所以，拖动系统的减速过程，也 是释放动能的过程，如图8 ( a ) 所示。 第二种是重物下降的过程，重物在高处时

21、位能较大，下 降后，位能减少。所以，重物下降的过程也是拖动系统释放 位能的过程，如图8 ( b ) 所示。 事实上，在这两种情况下，电动机都将处于发电机状态 ( 再生制动状态) ，拖动系统释放的能量转换成了电能，使 变频器的直流电压升高。一般情况下，是通过制动电阻和制 动单元把升高了的直流电压消耗掉的。要是不消耗掉，而把 它利用起来，就是节能的第三个方面。 利用多余能量的方法主要有两种： 一种叫作能源互补。当一台机器上有多台变频器时，可 以把这些变频器的直流母线都并联起来，如图9 所示。这样做 的好处是： 一方面，增大了直流电源的总容量，减小了直流电压的 ( a )动能 ( b ) 图8 拖动

22、系统释放能量 ( a ) 拖动系统减速时释放动能 ( b ) 重物下降时释放位能 朵黑冀需 黧燃 1 17 i l l 五d t 石荫赢t l o 凡 叼n 呵。焉赢丽 万方数据 上升幅度。 图9 直流母线并联 另一方面，实现了能量的互补，因为多台电动机不大可 能同时处于再生制动状态。于是，处于再生制动状态的电动 机发出来的电，正好被其他电动机所利用。 第二种方法是采用“回馈单元”。 所谓圆馈电元，就是当直流叫路的电压超过某一限值时， 把多余的直流电通过回馈单元逆变成三相交流电，并反馈到电 网去。实际上相当于把拖动系统在运行过程中释放的能量( 动 能或位能) 通过电动机转换成电能，又通过回馈单

23、元反馈给电 网，如图1 0 所示。所以，是一种十分理想的节能方法。 图1 0 回馈单元的接线 2 4 节能以外的经济效益 采用了变频调速系统后，明显的节能效果只是经济效益 的一个比较重要的方面，但绝不是经济效益的全部。 ( 1 ) 减少故障率的经济效益 直流电动机的调速性能虽然优越，但它的故障率很高。 每次发生故障，必将造成如下损失： a 正在加丁过程巾的工件报废。 b 在处理和维修期间，不能进行生产造成的损失。 c 维修费用本身的损失等。 例如，印染机械通常由若干个单元构成，各单元之间要 求布速同步。过去采用直流电动机控制，故障率较高，平均 一个月要发生一次故障。改造为变频调速后，连续若干年

24、未 发生故障。某印染厂的厂长说，每发生一次故障所造成的损 失( 包括整匹布报废的损失、在一段时间内不能生产造成的 损失以及修理费用等) 足以购买许多台变频器，其经济效益 由此可见。 2 ) 延长设备寿命的经济效益 主要有以下两种情形： a 由于平均转速f 降而使设备寿命延长 如风机、水泵、空气压缩机等在全速运行时，由于阻转 矩很大，各部分的磨损以及主要部件所受到的应力都很大。 采用了变频调速后，由于平均转速的降低，应力和磨损都大 为减小，使机器的寿命得到延长。 b 由于起动和停机过程得到改善而使设备寿命延长 许多设备在直接起动和停机时，将因受到较大冲击而影 响其使用寿命。 各种设备中的压缩机在直接起动和停机时，因内部压力 变化过大而影响使用寿命。 c 直接起动将使供水的管道系统产生水锤效应，使阀 门、接头和水管受到损坏，等等。 采用变频调速后，由于加速和减速过程可以预置得比较 缓慢，从而彻底地消除了水锤效应，延长了水泵和管道系统 的寿命。 这方面尚无准确的统计数字，但据部分用户反映，设备 的使用寿命至少延长一倍以上。毫无疑问，这也是一种相当 可观的经济效益。 ( 3 ) 提高产品质量带来的经济效益 主要有如