淺談變頻技術(shù)在節(jié)能工程上的應(yīng)用

　　交流變頻調(diào)速控制器是集電力電子、自動(dòng)控制、微電子學(xué)、電機(jī)學(xué)等各種技術(shù)于一身的高新技術(shù)，變頻的調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代IT產(chǎn)業(yè)尖端技術(shù)，涉及到光纖通訊、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)并行處理等是多種高新技術(shù)的結(jié)合，與傳統(tǒng)行業(yè)耗能大、應(yīng)用最廣泛的電力拖動(dòng)、風(fēng)機(jī)、水泵等多種行業(yè)應(yīng)用異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)備，進(jìn)行節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合。

　　二、變頻器控制對像

　　變頻器應(yīng)用，可分為兩大類：一種是用于傳動(dòng)調(diào)速，另一種是各種靜止電源（靜止電源暫且不講）。變頻傳動(dòng)調(diào)速，其應(yīng)用目的就是通過對電機(jī)調(diào)速來達(dá)到節(jié)約能源?？刂茖ο缶褪窃趧?dòng)力設(shè)備上實(shí)現(xiàn)電—機(jī)轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)。這是由感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)的性能和特征決定，其次是由于所帶的負(fù)載對電機(jī)調(diào)速的負(fù)荷適應(yīng)性所決定。由電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式我們知道，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，主要取決于電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場（ n1=t*f/p） 。

　　對一個(gè)繞制好的電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速完全取決供電頻率，t 為時(shí)間常數(shù)，P為電機(jī)的極對數(shù)，n1正比電源頻率f，從電機(jī)的結(jié)構(gòu)上我們看到定、轉(zhuǎn)子之間沒有任何電的連接，基于磁場感應(yīng)和機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速總是不同步，差一個(gè)轉(zhuǎn)差數(shù)（一般為n1的1%——1.8%，）稱為轉(zhuǎn)差率S，由此可見電機(jī)的轉(zhuǎn)速也正比于電源的頻率。n2=t*f（1-s）/p從異步電動(dòng)機(jī)變頻時(shí)機(jī)械特性曲線中，我們不難看出轉(zhuǎn)速的變化對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響較小，對于傳動(dòng)機(jī)械功率要求完全可以滿足。變頻調(diào)速控制是在降低輸出頻率的同時(shí)輸出電壓也相應(yīng)降低，轉(zhuǎn)矩正比輸出電壓。轉(zhuǎn)矩也會有些減少。這種純電氣調(diào)速系統(tǒng)是人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性來獲得不同的轉(zhuǎn)速，直接與拖動(dòng)機(jī)械相連接不需原機(jī)械設(shè)備做任何調(diào)整，這對于節(jié)能改造成本，保持原有機(jī)械性能都大有好處。變頻傳動(dòng)調(diào)速的特點(diǎn)是：

　　1 、不用改動(dòng)原有設(shè)備包括電機(jī)本身；

　　2、可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，滿足傳動(dòng)機(jī)械要求；

　　3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動(dòng)電流沖擊對電網(wǎng)的不良影響，減少電源容量的同時(shí)還可以減少機(jī)械慣動(dòng)量，減少機(jī)械損耗；

　　4、不受電源頻率的影響，可以開環(huán)、閉環(huán)手動(dòng)/自動(dòng)控制；

　　5、低速時(shí)，定轉(zhuǎn)矩輸出、低速過載能力較好；

　　6、電機(jī)的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增高功率增大而提高。使用效果較好。

　　三、風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能－－－－-變頻控制

　　機(jī)電設(shè)備配合設(shè)計(jì)原則：電機(jī)的最大功率必須滿足負(fù)載下的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩，對于不同的負(fù)載，最大值并非時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生、負(fù)載的變化是非線性的，而電機(jī)的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非最大負(fù)載時(shí)電機(jī)輸出了相當(dāng)一部分多余功率，電能也就白白浪費(fèi)掉了。風(fēng)機(jī)、水泵類就是較典型例子。

　　風(fēng)機(jī)、水泵類風(fēng)量和流量的控制在過去很少采用轉(zhuǎn)速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要改變風(fēng)量或流量時(shí)，事實(shí)上都采用調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或節(jié)流閥。這種控制雖然簡單易行，能滿足流量要求，但對電機(jī)來講，從節(jié)省能源的角度來看是非常不經(jīng)濟(jì)的。生產(chǎn)中很容易檢測出來。

　　這類設(shè)備一般都是長時(shí)間運(yùn)行，甚至很久不停機(jī)。在實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)，除在極短時(shí)間流量最大值外，近90％時(shí)間運(yùn)行在中等或較低負(fù)荷狀態(tài)，總用電量至少有40％以上被浪費(fèi)掉。采用變頻調(diào)速控制，對風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)流量的方法，對節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要意義。

　　四、風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能方法

　　從流量控制原理上講，風(fēng)機(jī)、水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。

　　1、具體測試某工廠爐底風(fēng)機(jī)散熱控制系統(tǒng)，冶煉爐根據(jù)不同材料、需要不同的爐底冷卻溫度，設(shè)計(jì)滿足最大冷卻風(fēng)量設(shè)計(jì)為四臺18.5KW4極葉輪式風(fēng)機(jī)，全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，但用最大冷卻風(fēng)量的概率極低。冶煉常用幾種材料，四臺風(fēng)機(jī)對開風(fēng)量過大；對開兩臺時(shí)，達(dá)不到冷卻要求；對開一對再側(cè)開一臺，冷卻不均、無法滿足工藝要求；原設(shè)計(jì)4臺對開風(fēng)機(jī)靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板可滿足冷卻要求，但對電機(jī)來講，浪費(fèi)電能。風(fēng)板全開時(shí)，運(yùn)行電流24A，全關(guān)閉時(shí)22A，輸入功率從17.0KW—18.5KW變化，節(jié)電率不足8％。

　　針對這一特殊要求制定方案，對其中兩臺對開電機(jī)進(jìn)行開環(huán)變頻調(diào)速控制，配合兩臺全速風(fēng)機(jī)，即滿足不同材料的溫控要求，又能節(jié)約電能。按照這一方案進(jìn)行改造后，節(jié)電效果非常明顯。針對其中一種材料需固定頻率控制進(jìn)行冷卻，幾個(gè)月才換一次，設(shè)定頻率在25—35之間，完全滿足冷卻要求。工頻下運(yùn)行時(shí)一臺18.5KW風(fēng)機(jī)（經(jīng)變頻器輸出），每小時(shí)耗電為11.9度/小時(shí)，日耗電量為：285.6度/24小時(shí)。在正常運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同材料的溫度要求，設(shè)定頻率分別為：25Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz和45 Hz。運(yùn)行測定參數(shù)如下：

　　需要指出的是：變頻器當(dāng)輸出頻率降低時(shí)，輸出電壓也相應(yīng)降低，輸入功率明顯減少，對應(yīng)頻率降低時(shí)電壓降低電機(jī)不會有溫升，若頻率不變時(shí)電壓降低至浮動(dòng)電壓下限值時(shí)，電機(jī)就會有溫升。

　　2、水泵節(jié)電：同風(fēng)機(jī)原理很相近。以某酒店750TRT中央空調(diào)冷水機(jī)組水系統(tǒng)90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例：主機(jī)制冷是根據(jù)溫度的變化而工作，是非線性負(fù)荷，而水泵電機(jī)基本上是線性恒功率輸出。1臺55KW冷卻水泵靠調(diào)整閥門來改變流量，雖然能滿足主機(jī)運(yùn)行要求，但對于電機(jī)來講節(jié)電意義不大，閥門的全開和全閉，電流從107A—97A之間變化，平均節(jié)電不足7％。通過改造采用溫度控制為主，壓力控制為鋪進(jìn)行閉環(huán)變頻控制水泵電機(jī)，水泵電機(jī)平均節(jié)電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機(jī)靠調(diào)節(jié)閥門電流在163—148A之間變化，平均節(jié)電不足6％，經(jīng)閉環(huán)控制變頻調(diào)速改造后，節(jié)電率平均也在30％以上。為什么會有這么大節(jié)電空間呢，因?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的最大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項(xiàng)極限指標(biāo)為依據(jù)計(jì)算的（即人流最大、氣溫最高、空間散熱最差），平時(shí)出現(xiàn)這種情況的概率極低，從經(jīng)驗(yàn)上講不到10%，空調(diào)系統(tǒng)大部分運(yùn)行時(shí)間都在中、低負(fù)荷狀態(tài)，空調(diào)主機(jī)的負(fù)荷曲線是非線性的，而水系統(tǒng)的水泵負(fù)荷是線性恒功率的，以滿足主機(jī)的最大負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)。這樣在主機(jī)非最大負(fù)荷時(shí)水泵就必然存在著電能浪費(fèi)空間。通過變頻調(diào)速控制使水泵電機(jī)的負(fù)載曲線符合或接近空調(diào)主機(jī)的負(fù)載曲線。

　　3、高壓變頻控制傳動(dòng)調(diào)速控制設(shè)備都是在3KV以上大容量電機(jī)，一般都在幾百KW到幾千KW，負(fù)載率大于0.5，節(jié)電效率較低壓變頻控制略低，在18—25%左右，電機(jī)容量大耗電也多，雖然節(jié)電率較低，但用電基數(shù)大，也是非?？捎^，高壓變頻設(shè)備技術(shù)復(fù)雜設(shè)備體積大，成本較高，操作必須專業(yè)技術(shù)人員，但整體效益還是很可觀的。

　　五、變頻控制技術(shù)的顯性和隱性效益及利弊分析

　　顯性效益就是指節(jié)電效益。變頻控制傳動(dòng)調(diào)速對于負(fù)載性質(zhì)和負(fù)載率的不同，節(jié)電率也是不同，低壓變頻控制設(shè)備，一般負(fù)載率在0.5左右時(shí)，節(jié)電率在20—47％左右。比如定量泵注塑機(jī)、排污填水池電機(jī)、給氧風(fēng)機(jī)等等，空調(diào)水泵基本上平均節(jié)電率都在25—60％左右。低壓設(shè)備變頻調(diào)速改造投資少、見效快，投資回報(bào)期基本上在一年左右。

　　隱性效益主要體現(xiàn)：

　　1、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟軟停，消除電機(jī)啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，減少了啟動(dòng)電流的線路損耗；

　　2、消除了電機(jī)因啟停所產(chǎn)生的慣動(dòng)量對設(shè)備的機(jī)械沖擊，大大降低了機(jī)械磨損，減少設(shè)備的維修，延長了設(shè)備的使用壽命；

　　3、空調(diào)水泵的軟啟、軟?？朔嗽瓉硗C(jī)時(shí)的水槌現(xiàn)象。

　　除上述的有利一面，同時(shí)也存在一些問題。任何事物都不是絕對的，都要辨證去看去分析，低壓變頻器輸出波型為脈沖形式，會產(chǎn)生一些干擾，實(shí)際運(yùn)行中單臺干擾不嚴(yán)重，以30KW容量為例，干擾福射基本在10米之內(nèi)，在設(shè)計(jì)電路中加裝陷波電路或磁環(huán)或陷波線圈就可以將干擾減少到最少，一般使用時(shí)盡量遠(yuǎn)離電腦等怕干擾設(shè)備，對于多臺集中安裝時(shí)安裝位置要盡量拉開距離，還需專門加裝陷波電路屏蔽接地，將干擾減少到最低。

　　高壓變頻設(shè)備干擾性很小，控制技術(shù)較高，輸出電壓