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(xì)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(jī)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(jì)的基礎(chǔ),對于社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中,能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增長,也為許多發(fā)達(dá)國家?guī)砹讼喈?dāng)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(jī)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,風(fēng)機(jī)、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

2、維護(hù)、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(jì)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(jī)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(jī)功耗達(dá)到系統(tǒng)高效運行的節(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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速與工作

3、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(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù),通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)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(jī)械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時,都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運行,除達(dá)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,可降低電機(jī)的運行速度,使其在恒壓的同時節(jié)約電能。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從N1變到N2時,其電機(jī)軸功率P的變

4、化關(guān)系如下:P2/P1=(N2/N13,由此可見降低電機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)輸出力矩的情況下,可自動調(diào)節(jié)V/F 曲線。減少電機(jī)的輸出力矩,降低輸入電流,達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。2.4、變頻器自帶軟啟動節(jié)能:在電機(jī)全壓啟動時,由于電機(jī)的啟動力矩需要,要從電網(wǎng)吸收6-7倍的電機(jī)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(jī)額定電流,減少了啟動電

5、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(jī)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(jī)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?yōu)?ACDCAC,在整流濾波后,負(fù)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3.1、節(jié)能實例風(fēng)機(jī)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?，F(xiàn)先以風(fēng)機(jī)為例加以說明:采用變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制,屬于減少

6、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(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n1下的風(fēng)壓風(fēng)量(HQ特性,曲線(2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性(風(fēng)門全開。假設(shè)風(fēng)機(jī)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(dāng)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,軸功率下降不大。如

7、果采用變頻器調(diào)速控制方式,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2,根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律,畫出在轉(zhuǎn)速n2風(fēng)壓風(fēng)量(HQ特性,如曲線(4所示?？梢娫跐M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(jì)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)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(jìn)行調(diào)速,當(dāng)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(dāng)然還需要考慮由于轉(zhuǎn)速降

8、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(jī)水泵的機(jī)械中,采用轉(zhuǎn)速控制方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量,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(dāng)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)速至(2即可節(jié)能Q2×H2-Q2×H T =

9、 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(jī)節(jié)能原理相同:水泵電機(jī)輸出功率正比于轉(zhuǎn)速三次方關(guān)系。用變頻器進(jìn)行調(diào)速,流量下降,可保持恒壓H T ,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(dá)65.7%,經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。3.2、節(jié)能計算對于風(fēng)機(jī)、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(jìn)行計算:根據(jù)已知風(fēng)機(jī)、泵類在不同控制方式下的流量負(fù)載關(guān)系曲

10、線和現(xiàn)場運行的負(fù)荷變化情況進(jìn)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(jī)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(fù)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(fù)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(fù)荷(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·hW2=5

11、5×10×(92%-22%×300 =115500kW·hW1+W2=64680+115500=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。根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式:P / P0=(n / n03計算,式中P0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(jī)為例,使用的是90kW的電機(jī)。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(fù)荷(頻率按45Hz計算,擋板調(diào)節(jié)時電機(jī)功耗按95%計算,12小時運行在50%負(fù)荷(頻率按20H Z計算,擋板調(diào)節(jié)時電

12、機(jī)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-(45/503×300=87804kW·hW2=90×12×1-(20/503×300=303264kW·hW b = W1+W2=87804+303264=391068kW·h擋板調(diào)節(jié)時的節(jié)電量為:W1=90×(1-95%×12×300=16200kW·hW2=90×(1-68%×12×300=103680kW·hW d = W1+W2=16200+103680=119880kW·h相比較節(jié)電量為:W = W b-W d=391068-119880=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(jī)設(shè)備中。特別是在風(fēng)機(jī)、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(jī)中的實踐應(yīng)用證明:其不僅提高了設(shè)備效率,大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費用;