摘要：針對當(dāng)前能源緊張介紹了變頻調(diào)速技術(shù)與其它調(diào)速技術(shù)的區(qū)別，對采用變頻調(diào)速技術(shù)所解決的節(jié)能問題做了具體闡述，并對變頻調(diào)速技術(shù)在各行業(yè)的節(jié)能應(yīng)用做了介紹。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 比較 節(jié)能
Abstract: This paper recommend frequency conversion speed adjustment technology and other transfer speed difference of technology, to adopt frequency conversion transfer speed energy saving problem technology solve make concrete to explain, and adjust the energy saving in every profession and trade of speed technology to use and describe to frequency conversion.
Keyword: Variable Frequency Adjusting Speed, compare, energy saving.
1前言
據(jù)統(tǒng)計，目前我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量約占全國用電量的60%，但我國電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的能源利用率卻非常低。我國迫切需要提高能源利用效率，對于工廠企業(yè)來說，大部分電力都消耗在一些大功率設(shè)備如風(fēng)機(jī)，水泵等上，國家相關(guān)部門提出了幾大應(yīng)對措施，其中重要一條是采取合理的用電措施，積極采用節(jié)電新技術(shù)，如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。這樣既可以獲得長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，更有廣泛的社會效益。
2 變頻調(diào)速技術(shù)
2.1 變頻技術(shù)概述
變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全可靠性和延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點而成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電機(jī)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息與控制等多個學(xué)科領(lǐng)域，變頻調(diào)速理論已經(jīng)形成較為完善科學(xué)體系，成為一門相對獨立的學(xué)科。而相對于大多數(shù)人來說，變頻調(diào)技術(shù)是一項陌生而新奇的技術(shù)，變頻器是一種高科技產(chǎn)品，是一種將交流電轉(zhuǎn)化為可變頻變壓運行的電能轉(zhuǎn)換裝置，有工業(yè)維生素之稱。變頻調(diào)速裝置通常由整流器、平波電抗器或濾波電容器、逆變器及控制電路組成。在中間直流電路中串接平波電抗器作儲能元件的稱為電流型變頻器。中間直流回路并接濾波電容器作儲能元件的稱為電壓型變頻器。整流器將輸入的工頻交流電變換為直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)輸入至逆變器，逆變器將直流電流變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電輸入到電動機(jī)。打個比方，變頻器就好比一個人的心臟，人在運動的時候，心臟將劇烈跳動，心率增加，供應(yīng)大量的血液給身體各器官；人在休息的時候，心臟將變緩，從而節(jié)約能耗。電動機(jī)同樣也象一部操作中的機(jī)器心臟，其運轉(zhuǎn)速度也需要根據(jù)其負(fù)荷大小來調(diào)整運轉(zhuǎn)頻率，而變頻器則是為其正常運轉(zhuǎn)加上一個自動調(diào)節(jié)裝置。變頻器自1964年問世以來，經(jīng)歷40多年的發(fā)展，在歐美發(fā)達(dá)國家廣泛使用，目前在中國的空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。
2.2 變頻調(diào)速與其它調(diào)速裝置的性能比較
變頻調(diào)速在調(diào)頻范圍，靜態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)效率、完善的保護(hù)功能、容易實現(xiàn)自動控制和過程控制等諸方面是以往的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等無法比擬的。它是公認(rèn)的交流電動機(jī)最理想最有前途的調(diào)速方案，代表今后電氣傳動的發(fā)展方向?，F(xiàn)將各種調(diào)速裝置的性能比較如下:
(1) 變極調(diào)速的原理: 變極調(diào)速適用于不要求平滑、連續(xù)和頻繁調(diào)速的鼠籠型異步電動機(jī)場合。變極調(diào)速通過改變異步電動機(jī)定子繞組的極對數(shù)p，使電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速n0改變(n0=60f/p,f為電網(wǎng)周波)，達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點是:轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)差損耗少,使用維護(hù)簡單方便。缺點是: 有級調(diào)速，不能平滑調(diào)速，而且級差較大。
(2) 串級調(diào)速的原理:它通過在繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入一個與轉(zhuǎn)子電勢頻率相同、相位相反的附加電勢。通過改變轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的一種調(diào)節(jié)方式，串級調(diào)速裝置可將轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械能加到負(fù)載。其優(yōu)點是:串級調(diào)速的效率較高，節(jié)能效果較好;調(diào)速裝置的容量與調(diào)速范圍成正比，范圍小時裝置容量也小，成本較低。缺點:可控硅串級調(diào)速功率因數(shù)低，產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)有污染;內(nèi)反饋串級調(diào)速需采用特制的內(nèi)反饋繞線式電機(jī)，需對繞線式異步電動機(jī)進(jìn)行改造。串級調(diào)速適用于調(diào)速范圍不大 (70%～95%)的繞線式異步電動機(jī)的場合。
(3) 定子調(diào)壓調(diào)速的原理: 它通過改變加在異步電動機(jī)定子端的電壓，使電動機(jī)的機(jī)械特性發(fā)生變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化，其轉(zhuǎn)速也將改變。優(yōu)點是:線路簡單，運行比較可靠;調(diào)壓裝置體積小;使用維護(hù)較簡單;便于自動控制及遠(yuǎn)程操作。缺點是:低速時轉(zhuǎn)差功率損耗大，效率低;調(diào)速特性軟;產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)有污染，對電機(jī)有影響。適用于大容量繞線式異步電動機(jī)的場合。
(4) 液力耦合器的調(diào)速原理: 液力耦合器適用于大功率、高轉(zhuǎn)速的鼠籠式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的場合。液力耦合器是通過油在泵輪（電動機(jī)側(cè)）和渦輪（負(fù)載側(cè)）中的循環(huán)流動，泵輪將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油的動能和勢能，而渦輪則將油的動能和勢能轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械能實現(xiàn)功率的傳遞，通過勺管調(diào)節(jié)油的循環(huán)量來調(diào)節(jié)渦輪的轉(zhuǎn)速。液力耦合器安裝在電動機(jī)與負(fù)載之間?？稍陔妱訖C(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，無級調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。優(yōu)點是:功率適應(yīng)范圍大，可以滿足從幾十至幾千乃至上萬千瓦的不同功率的需要;結(jié)構(gòu)較簡單，改造投資不算太大;可空載起動，不產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)無影響;調(diào)速范圍為20%～97%，可以隔離電動機(jī)和泵的振動，緩和沖擊。缺點是:有滑差損失，屬低效調(diào)速裝置;滑差功率損耗變?yōu)橛偷臒崃渴褂蜏厣?，需要冷卻設(shè)備;低速、小功率的液力耦合器造價較高;且效率低，效率與轉(zhuǎn)差成反比;液力耦合器達(dá)不到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速; 調(diào)速精度差，穩(wěn)定性差。
2.3 風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載變頻調(diào)速節(jié)能原理
變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能的最佳方案。根據(jù)流體理論，離心式風(fēng)機(jī)水泵的軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方函數(shù)關(guān)系。據(jù)流體機(jī)械的公式有：
Q2 = Q1（n2/n1） （1）
H2 = H1（n2/n1）2 （2）
P2 = P1（n2/n1）3 （3）
即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，由此我們可以計算出表1所示的結(jié)果。
當(dāng)所需風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，其功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需風(fēng)量下降為80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，而軸功率降為51%；當(dāng)所需風(fēng)量為而額定風(fēng)量的50%時，而軸功率降為13%。
表1為速度降低后的理論節(jié)能效果。
注：N1和N2為轉(zhuǎn)速，P1和P2為軸功率。
3 變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對電氣設(shè)備控制性能要求的提高，在許多領(lǐng)域變頻調(diào)速應(yīng)用越來越廣泛。這里只列舉主要的幾方面應(yīng)用。
3.1變頻器在冶金工業(yè)的節(jié)能改造
冶金企業(yè)是我國的能耗大戶。因此在軋機(jī)輥道、轉(zhuǎn)爐、圓盤給料機(jī)、振動給料機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、連鑄拉矯機(jī)、結(jié)晶器振動；精煉爐、電渣；轉(zhuǎn)爐傾動、氧槍升降、抽煙機(jī)；高爐卷揚、送風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)；加熱爐鼓風(fēng)機(jī)、化氨水泵；燒結(jié)引風(fēng)機(jī)、熔煉鉛鋅冷卻泵；制氧機(jī)、冷卻泵、清水泵、降溫排風(fēng)機(jī)、…等廣泛應(yīng)用。冶金企業(yè)使用的風(fēng)機(jī)泵類非常多，僅就軋鋼均熱爐為例，其基本的生產(chǎn)過程可分為四個部分：裝入、加熱、保溫、出鋼。加熱升溫期一般將熱負(fù)荷給定最大，這時熱風(fēng)以最大量供給爐膛；保溫期間，風(fēng)量減少約為加熱期的60%；出鋼期間風(fēng)量約為加熱期的30%；裝入鋼坯期間風(fēng)量為零。根據(jù)均熱爐這一工況，可見對其風(fēng)機(jī)實施變頻改造，可以大幅度的節(jié)約電能?？墒寡b鋼后預(yù)熱器保證足夠的溫度，從而還節(jié)約了1%～7%煤氣燃料，減少了氧化燒損，改善了鋼錠均熱質(zhì)量。
武鋼軋板廠選用變頻器改造3號橫剪前、后輥道。其中前輥道使用的是3kVA變頻器，后輥道使用的是30kVA變頻器，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，系統(tǒng)屬于重載頻繁起、制動，增加制動單元和制動電阻。剪切時采用低頻，可一次停車準(zhǔn)確到位，提高了剪切精度，降低了能耗。而在傳送鋼板時，采用高速，不影響生產(chǎn)效率。由于變頻調(diào)速可以使電機(jī)在設(shè)置好的V/F曲線上平滑調(diào)速和起動、制動，從而降低了對系統(tǒng)的沖擊，提高了設(shè)備的作業(yè)率，取得了令人滿意的效果。
3.2變頻器在石化行業(yè)的節(jié)能改造 主要應(yīng)用于注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加壓泵、輸油泵、抽油機(jī)、深井油泵、供熱鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、…
3.3變頻器在電力、熱力行業(yè)的節(jié)能改造 主要應(yīng)用于鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵、疏水泵、灰漿泵、送風(fēng)機(jī)、輸煤、排渣系統(tǒng)、鍋爐給粉系統(tǒng)、爐排調(diào)速、…
3.4變頻器在供水行業(yè)的節(jié)能改造 主要應(yīng)用于輸水泵、加壓泵、深井泵、恒壓供水系統(tǒng)、軟水供水系統(tǒng)、自動給水系統(tǒng)、消防供水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、…
3.5變頻器在建材行業(yè)的節(jié)能改造
我國是水泥工業(yè)大國，水泥生產(chǎn)過程大量使用交流電機(jī)，有許多應(yīng)用場合需要通過改變轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能和改善工藝的需求，比如回轉(zhuǎn)窯拖動、旋窯、立窯排風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、集塵系統(tǒng)、球磨機(jī)、空氣壓縮機(jī)、原料礦石的破碎、堆取、研磨、均化，旋窯的驅(qū)動、窯尾風(fēng)機(jī)、窯頭風(fēng)機(jī)、蓖冷風(fēng)機(jī)的調(diào)速，煤粉制備等等都可以通過合理的應(yīng)用變頻調(diào)速達(dá)到節(jié)能的目的。
3.6變頻器在礦山的節(jié)能改造 主要應(yīng)用于礦井通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、抽水泵、提升機(jī)、皮帶運輸機(jī)、洗煤機(jī)、選礦廠、煤廠風(fēng)機(jī)、…
在礦山、冶金、石化等工業(yè)中，大量使用風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)和壓縮機(jī)。這些機(jī)械一般用交流電機(jī)驅(qū)動，功率都在幾百千瓦以上，有的高達(dá)數(shù)千甚至上萬千瓦，消耗的電能非常大。但大部分都不是常年工作在額定功率，經(jīng)常只有50%~70%甚至更低的輸出量。目前這類機(jī)械大多還使用恒速交流傳動，用擋板、閥門或空放回流的辦法進(jìn)行調(diào)節(jié)，損失大量電能。用變頻調(diào)速取代能源浪費較為嚴(yán)重的擋風(fēng)板調(diào)節(jié)風(fēng)量方式，可減少風(fēng)機(jī)振動消除大電機(jī)起動的電流沖擊，避免機(jī)械振蕩，降低設(shè)備故障率，減輕設(shè)備維修工作量，易于實現(xiàn)微機(jī)或風(fēng)量循環(huán)自動調(diào)節(jié)。
3.7變頻器在紡織化纖業(yè)的節(jié)能改造 主要應(yīng)用于車間空調(diào)系統(tǒng)、調(diào)濕機(jī)、送風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷卻水塔、清水泵、深井泵、鍋爐風(fēng)機(jī)、染整機(jī)、…
3.8變頻器在空調(diào)的應(yīng)用
變頻空調(diào)是世界空調(diào)消費的流行趨勢。與普通空調(diào)相比，變頻空調(diào)有著舒適、靜音、恒溫、高效運轉(zhuǎn)、使用壽命長等顯著優(yōu)勢。據(jù)了解，目前在日本，變頻空調(diào)數(shù)量已占家用空調(diào)總數(shù)的95%以上。變頻空調(diào)把50Hz的固定電網(wǎng)頻率變換為20～140Hz的變化頻率，調(diào)節(jié)空調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速。運用變頻控制技術(shù)的變頻空調(diào)，可根據(jù)環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕運轉(zhuǎn)方式，使居室在短時間內(nèi)迅速達(dá)到所需要的溫度，并在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動，實現(xiàn)了快速、節(jié)能和舒適控溫效果。同時保護(hù)電動機(jī)及負(fù)載設(shè)備免受瞬時啟動的沖擊，延長其工作壽命，還提高電動機(jī)及負(fù)載設(shè)備的工作精確度，使用變頻空調(diào)節(jié)能省電的至少35%，業(yè)內(nèi)專家指出，變頻是當(dāng)前空調(diào)實現(xiàn)節(jié)能最有效、最成熟的技術(shù)途徑。在電荒與空調(diào)大面積使用重疊的夏季，使用變頻空調(diào)可謂利國利民。
4結(jié)論
綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用所取得的節(jié)能效果是顯而易見的。國家經(jīng)貿(mào)委已將變頻調(diào)速被列入重點實施的10項資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造工程之一。《中華人民共和國節(jié)約能源法》明文規(guī)定，將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。 “逐步實現(xiàn)電動機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行，發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)能和電力電子技術(shù)”、“提高電能利用率”，因此，利用變頻調(diào)速技術(shù)是解決目前缺電問題的最佳手段。
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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