變頻器節(jié)能技術(shù)原理分析及應(yīng)用

1、變頻器節(jié)能技術(shù)原理分析及應(yīng)用摘要:本文簡述了變頻器的基本工作原理,詳細介紹了變頻器調(diào)速 技術(shù)的節(jié)能原理和節(jié)能方法,并通過變頻器在風(fēng)機和水泵的具體應(yīng)用, 說明了變頻器具有較好節(jié)能節(jié)電的功能。關(guān)鍵詞 :變頻,調(diào)速 , 節(jié)能能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ),對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活 水平的提高都極為重要。當前全球經(jīng)濟發(fā)展過程中,能源的緊張不僅制 約了相當多發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長,也為 許 多發(fā) 達 國家 帶來 了相當 大 的 問題 。 因此 ,對能源的有 效利 用在 我 國 已 經(jīng) 非常迫切 。作為能源 消耗大 戶之一 的電機在節(jié)能方 面是大 有 潛力可挖 的。在工業(yè)生 產(chǎn) 和 產(chǎn)品加 工制 造 業(yè)中

2、, 風(fēng)機、 泵 類等設(shè)備 應(yīng)用 范圍廣泛; 其 電能 消耗 和 諸如閥門 、 擋板 相關(guān) 設(shè)備 的節(jié) 流損失以及維護 、 維修費 用 占到 生 產(chǎn)成 本的 7%-25%, 是一筆 不 小 的生 產(chǎn)費 用 開支 。 隨著 經(jīng)濟 改革 的 不 斷深入 , 市場競爭 的不 斷加劇; 節(jié)能 降耗 業(yè) 已成 為 降低 生 產(chǎn)成 本、提 高 產(chǎn)品競爭力 的重要 手段之一 。變頻調(diào)速技術(shù), 正是順 應(yīng)了工業(yè)生 產(chǎn)現(xiàn)代 發(fā)展的要 求 ,在 我 國多 種 行 業(yè)的電機 傳動設(shè)備 中 得到實際 應(yīng)用。 卓越 的調(diào)速 性 能、 顯 著 的節(jié)電 效 果 ,提高 設(shè)備利 用 率 , 從而 降低 電機功 耗達到 系統(tǒng) 高

3、 效 運 行 的節(jié)能 降耗 目 的。一、變頻器工作原理變頻器 是利 用電 力 半導(dǎo) 體器 件 的通 斷 作用 將 工頻電源變 換 為 另 一 頻率 的電能 控 制 裝置 。 它 是 按 一 定規(guī)律 改 變 脈沖列 的 脈沖寬度或幅度 , 以 調(diào)節(jié) 輸出量 和 波形 的 , 從而 實現(xiàn) 電 動 機電 壓 和頻 率 的平 滑 變 化 。變頻器的調(diào)速技術(shù)的基本原理 是 根據(jù) 電機 轉(zhuǎn) 速 與 工作電源 輸 入 頻 率 成正 比 的關(guān) 系 : n =60 f(1-s /p (式 中 n 、 f 、 s 、 p 分別表示轉(zhuǎn) 速、 輸 入 頻 率 、電機 轉(zhuǎn)差率 、電機 磁 極對 數(shù) ,通過 改 變電 動

4、 機工作電源頻 率 達到改 變電機 轉(zhuǎn) 速的 目 的。變頻器 就 是 基于 上 述原理 采 用 交 -直 -交(或 交 -交 電源變 換 技術(shù),電 力 電 子 、 微 電 腦控 制 等 技術(shù)于 一 身 的 綜合 性 電 氣 產(chǎn)品 。二、節(jié)能原理分析2.1、變頻 降 速節(jié)能:為了 保證 生 產(chǎn) 的 可 靠 性 , 各 種 生 產(chǎn) 機 械 在 設(shè) 計配 用 動力 驅(qū) 動 時 ,都 留 有 一 定 的 富余量 。 電機不能在 滿負荷下運 行 , 除 達到動力 驅(qū) 動 要 求 外 , 多 余 的 力 矩 增 加 了有功功 率 的 消耗 , 造成 電能的 浪 費 ,在 壓 力 偏 高 時 , 可降低 電

5、機的 運 行 速 度 , 使 其 在 恒壓 的 同時 節(jié)約電能。當電機 轉(zhuǎn) 速 從 N1 變 到 N2時 , 其 電機 軸 功 率 P 的變 化 關(guān) 系 如 下 : P2/P1=(N2/N1 3, 由 此可 見 降低 電機 轉(zhuǎn) 速 可得到 立 方 級 的節(jié)能 效 果 。 2.2、 動 態(tài) 調(diào) 整 節(jié)能:迅 速 適 應(yīng) 負 載 變 動 , 供給最 大效 率 電 壓 。變頻調(diào)速器在 軟 件上 設(shè) 有 5000次 /秒 的 測 控輸出 功能, 始終 保 持 電機的 輸出 高 效 率運 行 。2.3、通過變頻 自 身 的 V/F功能節(jié)電:在 保證 電機 輸出 力 矩 的 情況 下 , 可 自 動 調(diào)節(jié)

6、 V/F曲線 。 減少 電機的 輸 出 力 矩 , 降低 輸 入 電 流 , 達到 節(jié)能 狀 態(tài) 。2.4、變頻器 自 帶 軟啟 動 節(jié)能:在電機全 壓 啟 動 時 , 由 于電機的 啟 動力 矩 需 要, 要 從 電 網(wǎng)吸收 6-7倍 的電機 額 定 電 流 , 而 大 的 啟 動 電 流 即 浪 費 電 力 ,對電 網(wǎng) 的電 壓波 動損 害 也 很 大 ,增 加 了 線 損 和變 損 。 采 用 軟啟 動 后 , 啟 動 電 流可以 從 0 電 機 額 定 電 流 , 減少 了 啟 動 電 流 對電 網(wǎng) 的 沖 擊 ,節(jié)約了電 費 ,也 減少 了 啟 動 慣 性 對 設(shè)備 的 大 慣 量

7、的 轉(zhuǎn) 速 沖 擊 , 延 長了 設(shè)備 的 使 用 壽命 。2.5、提高功 率 因 數(shù) 節(jié)能:電 動 機 由定子 繞組 和 轉(zhuǎn)子 繞組 通過電 磁 作用 而 產(chǎn) 生 力 矩 。 繞組 由 于 其 感抗 作用。對電 網(wǎng) 而 言 , 阻抗特 性 呈感 性 ,電機在 運 行 時 吸收 大 量 的 無 功功 率 , 造成 功 率 因 數(shù) 很 低 。 采 用變頻節(jié)能調(diào)速器 后 , 由 于 其性 能 已 變 為:AC -DC -AC ,在 整 流 濾 波 后 , 負 載特 性 發(fā)生了變 化 。變頻調(diào)速器對 電 網(wǎng) 的 阻抗特 性 呈阻 性 ,功 率 因 數(shù) 很 高, 減少 了 無 功 損耗 。三、實例分析

8、3.1、節(jié)能 實 例風(fēng)機 是一種傳 送 氣 體的 裝置 ; 而 水泵 是傳 送 水 或 其 它 液 體的 裝置 。 就 其 結(jié)構(gòu) 和工作原理 而 言 , 兩者 基本相 同 。 現(xiàn) 先 以 風(fēng)機為 例 加以 說明:采 用變頻器對風(fēng)機 進 行 控 制, 屬 于 減少空 氣 動力 的節(jié)電方法, 它 和 一 般 常 用的調(diào)節(jié)風(fēng) 門 控 制風(fēng) 量 的方法 比 較,具有明 顯 的節(jié)電 效 果 。 由 圖 1可以 說明 其 節(jié)電原理:(下 圖 :H 表示壓 力 , Q 表示 流 量圖 1圖 1中, 曲線 (1 為風(fēng)機在 恒定轉(zhuǎn) 速 n1下 的風(fēng) 壓 -風(fēng) 量 (H Q 特 性 , 曲線 (2 為 管網(wǎng) 風(fēng)

9、阻特 性 (風(fēng) 門 全 開 。假 設(shè) 風(fēng)機工作在 A 點 效 率 最 高, 此 時 風(fēng) 壓 為 H2,風(fēng) 量 為 Q1, 軸 功 率 N1與 Q1、 H2的 乘積 成正 比 ,在 圖 中 可 用 面 積 AH2OQ1表示 。 如 果 生 產(chǎn) 工 藝 要 求 ,風(fēng) 量 需 要 從 Q1減至 Q2, 這 時 用調(diào)節(jié)風(fēng) 門 的方法相當于增 加 管網(wǎng)阻 力 , 使 管網(wǎng)阻 力 特 性 變 到 曲線 (3 , 系統(tǒng)由 原 來 的工 況點 A 變 到 新 的工 況點 B 運 行 。 從 圖 中 看 出 ,風(fēng) 壓 反 而 增 加 , 軸 功 率與 面 積 BH1OQ2成正 比 。 顯 然 , 軸 功 率下

10、降 不 大 。 如 果采 用變頻器調(diào)速 控 制方 式 ,風(fēng)機 轉(zhuǎn) 速 由 n1降到 n2, 根據(jù) 風(fēng)機 參 數(shù) 的 比 例 定律 , 畫 出 在 轉(zhuǎn) 速 n2風(fēng) 壓 風(fēng) 量(H Q 特 性 , 如 曲線 (4 所 示 。 可 見 在 滿 足 同 樣 風(fēng) 量 Q2的 情況 下 , 風(fēng) 壓 H3大 幅度 降低 ,功 率 N3隨著顯 著 減少 ,用 面 積 CH3OQ2表示 。節(jié) 省 的功 率 N=(H1-H3 ×Q2,用 面 積 BH1H3C 表示 。 顯 然 ,節(jié)能的經(jīng)濟 效 果 是 十 分 明 顯 的。由 流 體 力 學(xué) 可 知 ,風(fēng) 量與轉(zhuǎn) 速的 一 次 方 成正 比 ,風(fēng) 壓與轉(zhuǎn)

11、 速的平方成正 比 , 軸 功 率與轉(zhuǎn) 速的 三次 方 成正 比 。 采 用變頻器 進 行 調(diào)速,當風(fēng) 量 下 降到 80%時 , 轉(zhuǎn) 速也 下 降到 80%, 而軸 功 率將下 降到 額 定 功 率 的 51.2%, 如 果 風(fēng) 量下 降到 60%, 軸 功 率 可 下 降到 額 定 功 率 的 21.6%, 當 然還需 要 考 慮 由 于 轉(zhuǎn) 速 降低 會 引起 的 效 率 降低及 附 加 控 制 裝置 的 效 率 影響 等 。 即 使 這樣 , 這個 節(jié)能 數(shù) 字 也 是 很 可 觀 的, 因此 在 裝 有風(fēng)機水泵的機 械 中, 采 用 轉(zhuǎn) 速 控 制方 式 來 調(diào)節(jié)風(fēng) 量或 流 量 ,

12、在節(jié)能 上 是 個 有 效 的方法。同 理,水泵的節(jié)能原理 由 圖 2說明:(下 圖 :H 表示壓 力 , Q 表示 流 量 , N :表示軸 功 率圖 2許 多用泵 場 合 都 需 在 維 持 恒壓 的 情況 下 改 變 給 水 量(流 量 Q 從上 圖 可 知 :當 流 量 Q1降 至 Q2若 不 改 變水泵 轉(zhuǎn) 速, 揚 程 將 升 至 B 工作 點 , 其 功 率 可 用 H2×Q2來 計 算 ,對應(yīng) 面 積 BH2OQ2。原 A 工作 點 功 率 Q1×H T 圖 上 面 積 AH T OQ1, 兩者所 耗 功 率 變 化 不 大 , 如 果 我 們 降低 轉(zhuǎn) 速

13、 至 (2 即 可 節(jié)能 Q2×H2-Q2×H T = Q2×(H2-H T , 圖 DBH2H T 的 面 積即 是 節(jié)能 值 。 再 如流 量 變 至 Q3若仍 以 額 定轉(zhuǎn) 速 運 行 , 所需 功 率 Q3×H1, 浪 費 能 量 為 FCH1H T與風(fēng)機節(jié)能原理相同：水泵電機輸出功率正比于轉(zhuǎn)速三次方關(guān)系。 用變頻器進行調(diào)速，流量下降，可保持恒壓 HT ，若轉(zhuǎn)速下降至額定轉(zhuǎn)速 的 80%，軸功率下降至額定功率的 51.2%，流量下降至 Q3，若使揚程恒 定，可使轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的 70%，此時軸功率是額定值的 34.3%，節(jié) 能達 65.7%，

14、經(jīng)濟效益十分明顯。 3.2、節(jié)能計算 對于風(fēng)機、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩 種方式進行計算： 3.2.1、根據(jù)已知風(fēng)機、泵類在不同控制方式下的流量-負載關(guān)系 曲線和現(xiàn)場運行的負荷變化情況進行計算。 以一臺自吸排污泵為例：型號為 ZW200-280-28，配套的電動機額定 功率為 55kW。泵在閥門調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的流量負載曲線如圖 2 所示 （P 為閥門調(diào)節(jié)，P0 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)） 。根據(jù)運行要求，水泵連續(xù) 24 小時運 行，其中每天 14 小時運行在 90%負荷（由圖看出:閥門調(diào)節(jié)時為 98額 定功率左右，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時為 70額定功率左右） ，10 小時運行在 50%負 荷（

15、由圖看出:閥門調(diào)節(jié)時為 92額定功率左右，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時為 22 額定功率左右） ；全年運行時間 300 天。 則每年的節(jié)電量為： W1=55×14×（98%70%）×300=64680kW·h W2=55×10×（92%22%）×300 =115500kW·h W1W2=64680115500=180180kW·h 如果電價按 0.7 元/kW·h 計算，則每年可節(jié)約電費 12.61 萬元。 -5- 3.2.2、根據(jù)風(fēng)機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載關(guān)系式：P / P0=（n / n0）3 計算，式中 P0

16、 為額定轉(zhuǎn)速 n0 時的功率；P 為轉(zhuǎn)速 n 時的功率。 以一臺煉鐵廠熱風(fēng)爐的助燃風(fēng)機為例，使用的是 90 kW 的電機。運 行工況以 24 小時連續(xù)運行，其中每天 12 小時運行在 88%負荷（頻率按 45Hz 計算,擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按 95%計算） 12 小時運行在 50%負荷 ， （頻 率按 20Hz 計算，擋板調(diào)節(jié)時電機功耗按 68%計算） ；全年運行時間在 300 天為計算依據(jù)。 則變頻調(diào)速時每年的節(jié)電量為： W1=90×12×1（45/50）3×300=87804kW·h W2=90×12×1（20/50）3×

17、300=303264kW·h Wb = W1W2=87804303264=391068kW·h 擋板調(diào)節(jié)時的節(jié)電量為： W1=90×（195%）×12×300=16200kW·h W2=90×（168%）×12×300=103680kW·h Wd = W1W2=16200103680=119880kW·h 相比較節(jié)電量為：W = WbWd=391068119880=271188kW·h 如果電價按 0.7 元/kW·h 計算，則用變頻調(diào)速每年可節(jié)約電費 18.98 萬元。 四、小結(jié) 采用變頻器調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能降耗是我國重點推廣的一項節(jié)能技 術(shù)，已應(yīng)用在多種行業(yè)的電機設(shè)備中。特別是在風(fēng)機、泵類設(shè)備驅(qū)動控 制場合取得了顯著的節(jié)電效果。在我單位風(fēng)機中的