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變頻調速器的節能節電技術原理及其應用

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變頻調速控制是一種以改變電機頻率和改變電壓來達到電機調速目的的技術。目前無論哪種機械調速,都是通過電機來實現的。從大範圍來分,電機有直流電機和交流電機。以前的調速,多數用直流電機,雖然直流機調速容易實現。但是直流機固有的缺點:滑環和碳刷要經常拆換,給用戶帶來諸多不變。因此有人就想,如果把可靠簡單的籠式交流電機用來調速那該多好!因而就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出現了YVP變頻調速電機、YCT電磁調速電機(滑差電機)、繞線式電機、同步電機。 

到20世纪80年代,由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展,才出现了对交流机来说最好的变频调速技术,它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方式,乃至直流电机调速,而成为电气传动的中枢。因而说变频调速电机是时代的产物,只有在技术不断发展的今天才能实现。为什么说它是基于电力电子、微电子、信息技术发展的产物?一是它的逆变部分都基于电流很大、电压很高的 SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT等电力电子器件来完成的。什么叫逆变:就是直流变交流(DC-AC)那么交流变直流就叫整流(AC-DC)。二是它的控制部分和负载状态的检测是由CPU(32位计算机)来完成,这是微电子器件发展的结果。三是内置4-20mA 接口和 RS485 接口可以和仪表、DCS 相接,通过总线Profibus、Interbus 通讯。 

調速節能原理從二個方面來說明: 

1、风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量,这是一个节电的有效途径。在用档风板控制额定风量Q1=100%输出时,则轴功率N1与面积AH1 OQ1成正比,若风量减半Q2 =50%输出时,则轴功率N2与面积BH2 OQ2成正比,它比N1减少不多,这是因为需要克服档风板阻力增大风压所致。如果采用调速控制同样风量减半输出时,转数由n1降至n2,按风机参数比例定律画出n2时的特性曲线,C点为新的工矿点,这时轴功率N2与面积CH3OQ2成正比,在满足同样风量Q2情况下,轴功能降低很多,节省的功率耗损△N与面积BH2H3C成正比,可见节电效果显著。 

2、流体力学的观点 。流量∝转速,压力∝转速^2,轴功率∝转速^3,若转速下降20%,则功率下降到51.2% ;若转速下降50%,则轴功率下降到12.5% ,即使考虑调速装置本身的损耗等因素,节电也是相当可观的。为此,许多行业、如钢铁、有色、石油、石化、化工、纺织、机械、电力、建材、医药、煤炭、造纸、卷烟、酒店、自来水等行业都在许多设备中采用交流电机变频调速技术,产生节电及增产的效果。

下面舉幾個例子: 

实例 1、空调类负载 

       家庭用空调只有0.5HP、1HP、2HP、3HP等,而工厂和宾馆的空调容量要大的多,节电明显。饭店动力中心是一个集中供冷、供热的工厂,安装有20吨/小时蒸汽锅炉3台,300万大卡溴化锂制冷机4台,负责动力厂周围的饭店、宾馆、学校、及饭店宿舍、托儿所、公园、公寓、学校的供热、供冷,供热面积30万平方米、供冷面积20万平方米。91年,对水泵制冷机、引风机采用变频控制,节电明显,一般在30~60%,年节电17.5万KW,优于其它调速方式,节电效果很好。

实例 2、泵类负载 

       泵类负载,量大面广,包括水泵、油泵、化工泵、泥浆泵、沙泵等,有低压中小容量,也有高压大容量。石化公司炼油厂从1990年开始先后在蒸馏、裂解、加氢、糠醛、酮笨等20多条生产线上使用161台变频调速电机。变频器总功率达8091KW。1990年10月至1992年2月对其中30台泵进行测试,在同等工艺下,采用调节阀控制耗电999.9KW,而采用变频调速电机电耗为396.7KW,节电603.2KW,节电率60.3%。采用变频控制时,电机和泵的转数下降,轴承等机械部件磨损减低,泵端密封系统不易损坏,电机故障率降低,维修工作量大为减少。94年后,该厂又采用了14套6KV大容量变频装置,节电40%到70%,取得了较好的节电效果。 

实例 3、电梯高架游览车类负载 

       由于电梯是载人工具,要求拖动系统可靠,又要频繁的加减速和正反转,电梯动态特性和可靠性的提高,便增加了电梯乘坐的安全感、舒适感和效率。过去电梯调速直流居多,近几年逐渐转为交流电机变频调速,无论是日本,还是德国。我国不少电梯厂都争先恐后的用变频调速电机来装备电梯。

       许多人坐过深圳世界之窗的单轨高架游览车,该车行驶中频繁起动、停车、上坡、下坡,并要求起停平稳,车速恒定。由于是载人车,运行必须安全可靠,常年日晒雨淋,环境恶劣。以往要求调速性能高的传动装置,多采用带测速反馈的矢量控制系统,价格较高。为了降低价格,并维修方便,采用了通用型变频器转矩矢量控制方式,解决了起动/加速、停车/减速、恒速/变速行驶等,并防止了“下滑”、“冲站”现象的产生,达到了安全可靠,用户非常满意。

案例 4、搅拌机类负载 

化工、医药行业搅拌机非常之多,采用变频调速取代其他调速方式,好处特多。制药厂氢化发酵岗位共有 8台6.5吨发酵罐,电机功率为18.5KW,原为齿轮调速,如遇搅拌速度变化需拆卸三角皮带,既笨重又不安全。改用变频调速电机后,年节电8.6万KW,发酵过程明显好转,提高了产品质量,减少了维修,仅减少三角带费用就节省3万元,减少了工人劳动强度,有益于工厂,有益于工人。

实例 5 、注塑机类负载 

       注塑机是塑料加工成型的关键设备,数量多,耗电大。过去的节电方式多为通过△型转换Y型(星型)来节电的,效果一般。采用变频器调速技术在不改变注塑机原来的结构情况下,控制油泵几个过程的压力或流量(如锁模、合模、射胶、保压、脱模、退模等),可节电20%~52%,较好的取代过去的比例阀节流调速方式,大幅度降低能耗,珠三角的不少注塑厂都进行了变频改造。改造注塑机时,要注意合模加速,否则产量降低;注意输入端和输出端的谐波干扰。 

实例 6 、污水处理等环保类负载 

       环境保护越来越被重视,它关系到人类赖以生存的环境,连申奥也有环境指标。于是乎清洁能源、绿色城市均出现了。变频调速可用在三个方面的环保类负载。一是工业污水处理,二是电厂,三是工业排烟、排气、除尘的控制。如炼油厂,改用曝气机污水处理的搅拌设备,采用笼式电机变频调速后,提高产品可靠性,节电40%以上,同时提高了活性污泥微生物群的寿命,提高了污水处理的效果。再如佛山电厂在工艺中选用52台变频器。可见变频调速已成为环境保护的主要设备。中国石化总公司制定一个熄灭火炬(主要指大炼油厂的可烧气体)计划,即是把可燃气体输送到用变频调速的压缩机柜回收。 

實例7、音樂噴泉類負載 

       非常招揽游人的音乐喷泉,其水的高低和量的大小是靠变频控制的。亚洲喷水最高的广东河源市音乐喷泉和规模很大的山东济南泉城广场音乐喷泉均属于此,即节电又效果颇佳,在施工音乐喷泉时,要注意变频器谐波对控制系统的干扰。 

实例 8、卷烟机类负载 

       卷烟行业过去进口的卷烟机,不论莫林8、还是莫林10,均非无级调速。因而,在卷烟行业主要是解决无级调速和可靠性问题,技术简单,变频器操作方便。昭通卷烟厂十九台进口的格兰特4卷接包装联合机组采用变频调速后,日增产香烟200 箱,200箱香烟的利税相当19台变频器的价格,即一天收回投资。因而,卷烟机改造迅速,受益大。 

实例 9 、大型窑炉煅烧类负载 

       冶金、建材、烧碱等大型工业转窑(转炉)以前大部分采用直流、整流子电机、滑差电机、串极调速。由于这些调速方式或有滑环、或效率低,近年来,不少单位采用交流变频控制,效果很好。株州冶炼厂锌浸出渣挥发回转窑是回收锌的主体设备,共有三台。窑外径2.8米,长44 米,原用正流子电机和滑差电机拖动,故障多,经常跳闸,维修量较大。由于现场环境恶劣,导电尘埃多,电机火花不断。刷握、碳刷更换不断,90年小修56 次,更换碳刷1670只,刷握647只,影响了生产进度。91年6月该厂完成了回转窑的变频调速改造。运行平稳、可靠、操作简单,没有发生因电机拖动故障而影响生产。年节电12万度,超产117.82万元。唐山碱厂轻灰煅烧炉是纯碱生产关键设备,直径3.6米,炉身长30米,总重266 吨,采用 220KW变频器拖动,低频启动好,旋转稳定,可靠性高,提高了产品质量。 

实例 10 、吊车、翻斗车类负载 

       吊车、翻斗车等负载转矩大且要平稳,正反频繁且要可靠。变频装置控制吊车、翻斗车满足这些要求。独子山石化厂酮苯车间为三台过滤器的安装而设置一台20吨桥式起重机,工艺要求防爆,采用防爆笼型电机。原生产的吊车主钩、辅钩、大车、小车无调速功能,不能定位。力矩小,吊起物体下滑,无法吊装19吨重的过滤器机座,使该车间晚开工一年多,损失千万元。91年7月采用变频调速加制动电机功能,使主钩、辅钩、大车、小车五台电机由一台变频器控制,效果很好。过载试验吊起22吨,很快把3台各重40吨的过滤机安装在10米高二层平台的机位上。码头港机、车站龙门吊、货场堆取料机等都可以采用变频调速装置,以达到可靠、平稳、节电、少维修的目的。变频调速电机,除节电显著外,还是某些生产工艺中必需的设备。 

实例 11 、转炉类负载 

       转炉类负载,用交流变频代替直流机组简单可靠,运行稳定。1994年5月1日,承德钢铁公司炼钢厂三套20吨转炉直流拖动系统全部处于故障状态。经专家改造后,20吨转炉倾动和氧枪升降采用交流变频调速拖动。从供货到安装、调试、经过13 天,三台转炉全部正常投入生产。这是我国20吨转炉倾动和氧枪升降采用变频调速。经过多年的生产应用,该系统运行稳定可靠,技术指标满足工艺要求。转炉、氧枪主传动系统引起的热停工减少90%以上,年增产1.5万吨钢,节电22万度,直接经济效益231万元。为钢厂以后稳定的生产打下坚实的基础。

实例 12 、特种电源类负载 

       许多电源,如实验电源,飞机拖动电源(400HZ)都可用变频装置来完成,好处是投资少、见效快、体积些操作简单。粘胶纤维行业纺丝设备多数是高速电机,众多的纺绽电机为150HZ/160V 。长期以来,国内粘胶行业一直使用电动——发电机组中频电源供电,称动变频。由于这种方法弊病太多,而逐步采用交流变频电源供电,称静变频。邵阳化纤厂是我国粘胶行业最早自行应用静变频的厂家,8台160KW 变频器分二组供电(每组一台备用)。自1992 年12月生产以来,比动变频有明显的优势。 

1.運行多年,未發生故障跳閘。 

2.運行穩定,電壓、頻率波動極些。 

3.調頻方便,爲工廠生産不同撚度的絲餅創造了條件。 

4.噪音小,改善了操作人員的環境。 

5.提高了産品質量。

6.增加了産量。

7.節電13%。 

靜變頻爲各個行業帶來很多好處,不少企業采用了靜變頻技術。變頻調速技術具有體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝先進、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便等優點,深受用戶歡迎,變頻調速電機技術是節能、降耗、增産的理想設備。