智能化應(yīng)用變頻器提升節(jié)電效率

0 引言

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)亦得到了不斷的發(fā)展。時(shí)至今日，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果而在國民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，引領(lǐng)了電氣傳動(dòng)發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的保障。變頻調(diào)速理論已形成了完整的科學(xué)體系，成為一門相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。

本文是在我公司多年來自主研發(fā)的產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的。

變頻器在我國的各個(gè)行業(yè)中已經(jīng)使用多年，但是不論是進(jìn)口的還是國產(chǎn)的，節(jié)電率都沒有達(dá)到理論值，一般都在15%~20%左右。我們開發(fā)的智能化節(jié)電設(shè)備，節(jié)電率都達(dá)到甚至超過了40%;系統(tǒng)的電壓諧波控制在5%以下，電流諧波控制在15%以下;

功率因數(shù)提高到0.96以上。如何能做到這一點(diǎn)呢?我們主要從以下三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。

1 智能化應(yīng)用變頻器

智能化應(yīng)用變頻器，使系統(tǒng)中變頻器、電機(jī)、風(fēng)機(jī)(水泵)三者工作在最佳效率曲線內(nèi)，達(dá)到三者效率乘積最大化。

根據(jù)流體力學(xué)的原理可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與風(fēng)量q、壓力h、軸功率P之間的關(guān)系為

顯而易見，通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以大幅度地降低電機(jī)的功率，通過計(jì)算，可以得出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速后，理論上電機(jī)所節(jié)約的電能，如表1所列。

由于軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，節(jié)電效果是非常顯著的。當(dāng)頻率下降10%時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)下降10%，風(fēng)量也會(huì)下降10%，這時(shí)的軸功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比。這時(shí)理論上的節(jié)電率是27.1%，如果轉(zhuǎn)速下降20%，理論上的節(jié)電率是48.8%。

采用交流變頻調(diào)速技術(shù)控制水泵的運(yùn)行，是目前系統(tǒng)節(jié)能改造的有效途徑之一，下面繪出閥門控制調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速控制兩種狀態(tài)的水泵功率消耗—流量關(guān)系曲線。

圖1顯示了變頻器控制和閥門控制水泵所消耗的功率，從圖中我們可以清楚地看出水泵的流量為額定的60%時(shí)，變頻控制與閥門控制相比，功率下降了60%;所以水泵依靠閥門控制所消耗的電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻器控制所消耗的電量。

但是，為什么我們?cè)诎惭b變頻器以后節(jié)電率達(dá)不到表1所列的數(shù)值呢?為什么節(jié)電率總是在20%以下呢?離變頻器的理論值相差甚遠(yuǎn)，是什么原因?

經(jīng)過多年的研究，我們找到了問題的答案：雖然我們?cè)谙到y(tǒng)中安裝了變頻器，但是沒有找到最佳的控制應(yīng)用手段來挖掘出變頻器和動(dòng)力系統(tǒng)配合的潛力，用什么方法使變頻器、電機(jī)、風(fēng)機(jī)(水泵)三者效率的乘積最大化呢?我們通過幾年的努力，搜集了變頻器、電機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵幾千家制造商上萬種產(chǎn)品的效率曲線數(shù)據(jù)，建立了開發(fā)控制軟件的基礎(chǔ)，開發(fā)出了智能化控制變頻調(diào)速的專利軟件。由于這套軟件的開發(fā)成功，解決了如何使變頻器、電機(jī)、風(fēng)機(jī)或水泵在系統(tǒng)工作時(shí)三者效率乘積最大化的問題，使節(jié)電率在原來變頻器的基礎(chǔ)上提高了10%左右。

2 系統(tǒng)諧波治理

很多單位在安裝變頻器之后，節(jié)電率低，電機(jī)發(fā)熱、噪音大。大家都知道，每一個(gè)變頻器本身就是一個(gè)諧波源，產(chǎn)生的諧波有正相序、負(fù)相序和零相序之分。諧波能大大影響我們的節(jié)電率，舉個(gè)例子，例如我們?cè)?00 kW 的電機(jī)上加裝變頻器控制器轉(zhuǎn)速，100 kW的電機(jī)的額定電流大約是200 A，假設(shè)轉(zhuǎn)速降低20%，理論節(jié)電率應(yīng)該是48.8%，從電流的角度上說節(jié)省了97.6 A，但是變頻器本身產(chǎn)生多次諧波，以其中的5 次諧波為例，5 次諧波是負(fù)相序諧波，能產(chǎn)生與原基波電流方向相反的電流40 A，帶動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)的負(fù)載增大，效率降低，必須增加40 A的基波電流抵消掉諧波電流，此時(shí)，我們節(jié)約的電流只有57.6 A(這只是5次諧波產(chǎn)生的危害，還有其它次諧波也大大影響節(jié)電率)。從這些數(shù)字我們可以看出，諧波的存在對(duì)節(jié)電率有著非常大的影響。另外，諧波還有許多其它的危害，例如：影響電機(jī)效率和正常運(yùn)行，縮短電動(dòng)機(jī)壽命;加速元器件的老化;增加變壓器和線路損耗等。由此可知，對(duì)諧波的治理是當(dāng)務(wù)之急。

目前對(duì)諧波的治理方法主要是在系統(tǒng)中加裝無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器主要是電容和電抗，價(jià)格便宜，可是只能濾除30%左右的諧波;有源濾波器治理諧波的效果很好，對(duì)諧波的濾除率能達(dá)到95%以上，可是成本太高，平均每千瓦要上萬元，對(duì)企業(yè)來講投資太大。我們利用有源濾波器的原理，在變頻器的基礎(chǔ)上加裝諧波發(fā)生器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)諧波時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)出指令，產(chǎn)生一個(gè)頻率相同方向相反的諧波把產(chǎn)生的諧波抵消掉，其諧波濾除率高達(dá)90%以上，接近于有源濾波器的治理效果，可成本比有源濾波器低了許多，用我們的方法濾除諧波平均1 000元/ kW左右，這樣我們就用最小的投入解決了最大的問題。

下面是一汽大眾用我們的產(chǎn)品在治理諧波方面的檢測數(shù)據(jù)。經(jīng)過治理后，諧波電壓含有率分別是：42Hz時(shí)為4.47%;38 Hz時(shí)為4.85%;35 Hz時(shí)為4.50%。

安裝LP牌智能化節(jié)電設(shè)備前后啟動(dòng)電流、電機(jī)表面溫升對(duì)比如表2所列。

由于減少了諧波的影響，電機(jī)的電能損耗降低了，電機(jī)表面的溫度下降了，同時(shí)又提高了變頻器的節(jié)電率，此時(shí)的節(jié)電率已接近于理論值。

3 提高電機(jī)功率因數(shù)

影響電機(jī)功率因數(shù)的因素有三個(gè)：電壓波動(dòng)，諧波影響，電機(jī)的空載和輕載。

我們國家的電網(wǎng)電壓已經(jīng)很穩(wěn)定，一般不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，另外，我們對(duì)諧波的治理也已經(jīng)接近理想狀態(tài)，現(xiàn)在我們只考慮第三個(gè)因素：電機(jī)的輕載和空載，空載的情況很少，解決輕載問題的關(guān)鍵就是必須首先知道負(fù)載在工作過程中隨時(shí)的變化情況，變化量是多少?用什么控制方法來實(shí)現(xiàn)?

以鋼鐵廠的除塵風(fēng)機(jī)為例，在開始出鐵時(shí)灰塵含量多，負(fù)載重，工作電流大，出鐵結(jié)束后，含塵量減少，電機(jī)的負(fù)載也會(huì)降低，電流減小，一般的變頻器只能解決在出鐵時(shí)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)滿載運(yùn)行，煉鐵時(shí)變頻低速運(yùn)行，而不能解決隨含塵量和負(fù)載的變化適時(shí)進(jìn)行變頻調(diào)速運(yùn)行，解決不了電機(jī)輕載的問題。我們的產(chǎn)品就做到了這一點(diǎn)，通過軟件對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制電機(jī)運(yùn)行狀況隨系統(tǒng)的變化而變化，使系統(tǒng)始終在最佳的工作狀態(tài)下運(yùn)行。

表3是一汽大眾汽車有限公司對(duì)我們產(chǎn)品調(diào)速后各頻率段的功率因數(shù)的檢測數(shù)據(jù)。

事實(shí)證明，在使用我們的產(chǎn)品以后，原設(shè)備的功率因數(shù)有了大幅度的提高。

4 結(jié)語

通過我們的研究和我們所服務(wù)客戶的實(shí)際使用情況證明，智能化應(yīng)用變頻器和治理諧波是提升變頻器在動(dòng)力節(jié)電領(lǐng)域節(jié)電率的切實(shí)有效的方法。