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變頻調(diào)速器與節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)

2023-05-19 16:49:37

本文綜述交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)對節(jié)能、環(huán)保、制造業(yè)(產(chǎn)量和質(zhì)量提升)、交通牽引及家用電器的重大貢獻(xiàn)。


1、變頻調(diào)速


交流電動機(jī),特別是籠型異步電動機(jī),具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、制造成本和運(yùn)行費(fèi)用低、能在惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是過去由于實(shí)現(xiàn)調(diào)速困難或者某些調(diào)速方式低效不夠理想,因此,長期以來在調(diào)速的領(lǐng)域仍被直流調(diào)速占領(lǐng),交流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在調(diào)速傳動中未能獲得發(fā)揮。直到上世紀(jì)七十年代初,隨著電力電子、微電子(集成電路)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,人們長期渴望的變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。


1.1 所謂變頻調(diào)速器——它將三相工頻(50Hz)交流電源(或任意電源)變換成  三相電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的交流電源,有時(shí)又將變頻調(diào)速器稱為變壓變頻裝置VVVF。主要用于交流電動機(jī)(異步機(jī)或同步機(jī))轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。


1.2 一個(gè)交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻調(diào)速器驅(qū)動器交流電動機(jī)和控制器三大部分組成。其中關(guān)鍵核心設(shè)備是變頻調(diào)速器,由它來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)電壓和頻率的平滑變化。


1.3 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(shí)現(xiàn)自動控制和過程控制等諸方面是以往的調(diào)壓調(diào)速、變極調(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。


1.4 近三十多年來變頻調(diào)速已在鋼鐵、冶金、石油、化工、紡織、化纖、輕工、造紙、橡膠、塑料、電力、水務(wù)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。低壓電動機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用已非常普及和成熟。高壓電動機(jī)變頻調(diào)速也正在被人們關(guān)注和逐步應(yīng)用。交流電動機(jī)變頻調(diào)速除了有卓越的調(diào)速性能之外,還有顯著的節(jié)約電能和保護(hù)環(huán)境等重大作用,是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。


2、變頻調(diào)速與風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能


2.1 電力供應(yīng)與需求矛盾(供不應(yīng)求)存在較大電力缺口,需要節(jié)電。


根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),2002年我國發(fā)電裝機(jī)容量319億kW,年發(fā)電量13466億kWH。雖然電力規(guī)模列世界第二位,但人均用電量卻為世界倒數(shù)位置。況且我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需求更多的電力。若按國民經(jīng)濟(jì)增長8%要求電力增長11%計(jì)算,到2010年我國發(fā)電容量應(yīng)為5.7~6.0億kW,年發(fā)電量達(dá)28000~29000億kWH。2003年夏季持續(xù)高溫造成部分省市電力供應(yīng)緊張,被迫采取拉閘限電措施。由于電力網(wǎng)負(fù)擔(dān)過重,造成局部電力系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。


以上說明,我國電力供需不平衡,供小于求。因此,需要節(jié)約用電。


2.2風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速節(jié)能效益


2.2.1 我國電動機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)4.5億kW,約消耗全國65%發(fā)電量。因此如何實(shí)現(xiàn)電動機(jī)節(jié)電就非常重要。一般電機(jī)節(jié)能有二個(gè)途徑:一是提高電機(jī)本身效率達(dá)到長期高效運(yùn)行,主要用于恒速機(jī)械;另一個(gè)是提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度,使電機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。


2.2.2 風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中量大面廣的電動機(jī)驅(qū)動設(shè)備,總電機(jī)容量達(dá)1.5億,用電量占全國發(fā)電量的35%左右,其中約20%~30%風(fēng)機(jī)水泵需要調(diào)速。


2.2.3 變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能的最好方案。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。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后,其消耗功率會大幅下降,例如50%轉(zhuǎn)速時(shí),軸機(jī)械功率僅為12.5%。當(dāng)然不同,調(diào)速方案的效率相差很大,滑差后液力調(diào)速裝置效率不高,η≈(1-S),在50%轉(zhuǎn)速時(shí),ηvs≈50%,而變頻調(diào)速器效率,效率因數(shù)高,ηvvvF≈95%~98%,而且近似不變。所以在諸多調(diào)速方案中變頻調(diào)速節(jié)能效益最好,理應(yīng)為第一選擇。


[舉例]同一風(fēng)機(jī)水泵,100%轉(zhuǎn)速流量時(shí),軸功率為100%;50%轉(zhuǎn)速流量時(shí),軸功率降為50%。


若采用擋板,閥門控制到50%流量,仍需從電網(wǎng)吸入70-80%的功率;若采用滑差低效調(diào)速到50%,則需從電網(wǎng)吸入≈25%的功率;若采用變頻高效調(diào)速到50%流量,僅需從電網(wǎng)吸入10%功率。


2.2.4 風(fēng)機(jī)水泵調(diào)節(jié)流量方法多種多樣,各有特點(diǎn),但歸納起來可分為三大類型:


(1)傳統(tǒng)的機(jī)械方法調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的擋板,導(dǎo)流器以及水泵的閥門開啟度;


(2)采用電磁轉(zhuǎn)差離合器或液力耦合器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速(而電動機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn));


(3)交流電動機(jī)變頻調(diào)速方案。


下表系三大類型風(fēng)機(jī)水泵調(diào)節(jié)流量方法比較及結(jié)論意見。


2.2.5 當(dāng)今更應(yīng)該在大容量高壓電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)上推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速節(jié)能。理由很簡單,在節(jié)電率百分比相同的情況下裝機(jī)容量愈大,其節(jié)電量也愈大。


3.變頻調(diào)速與環(huán)境保護(hù):


3.1 電動機(jī)驅(qū)動是電能消耗的大戶,在中國占全部用電量的60%以上。過度的電力消耗使得煤炭和石油(天然氣)燃料枯竭,同時(shí)由于CO2和NO2的大量排放,造成污染環(huán)境,破壞臭氧層,影響甚至危及人類的生存。


人類不斷地從對生存環(huán)境的破壞和對能源資源的浪費(fèi)過程中接受了慘痛的教訓(xùn),于是保護(hù)人類生存環(huán)境成為全世界人民共同的呼聲,掀起了減少節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù),造福于社會的浪潮。1972年,瑞典斯德哥爾摩第一屆世界人類環(huán)境宣言以及1994年日本京都協(xié)議,規(guī)定所有簽約國應(yīng)使其國家的CO2及其它產(chǎn)生溫室效應(yīng)的有害氣體排放量控制在1990年的水平。充分說明環(huán)境保護(hù)的重要性和全世界人民的關(guān)注。


3.2 據(jù)估計(jì),電氣產(chǎn)品對環(huán)境污染的影響約占30%左右,因此節(jié)省電能,減少浪費(fèi)便成為履行京都協(xié)議承諾的重要因素,變頻調(diào)速和變頻技術(shù)能發(fā)揮些什么作用和貢獻(xiàn)呢?


(1)推廣風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可達(dá)到20%~30%的節(jié)電率,這樣可以少建火電廠,少發(fā)電,即少排放SO2、SO、CO2及灰塵,減少大氣環(huán)境污染;


(2)牽引變頻機(jī)車應(yīng)用,不用燃煤和燒油,減少排放污染;


(3)發(fā)展城市軌道交通(地鐵和磁懸浮列車)和燃料電池汽車,減少CO2排放。


(4)提倡采用電動自行車(無刷直流電機(jī)、自制式變頻調(diào)速),停用燃油助動車等。


4。變頻調(diào)速與制造業(yè)生產(chǎn):


4.1變頻調(diào)速可提高產(chǎn)量


交流電動機(jī)設(shè)計(jì)在氣隙磁通近似不變的條件下,電機(jī)允許超速5-10%長期運(yùn)行(20%短時(shí)試驗(yàn))。例如,某些國家電機(jī)可以在50/60Hz下長期運(yùn)行(當(dāng)然應(yīng)保證V/F=Cont),只要電機(jī)軸承能夠承受,提高5-10%轉(zhuǎn)速是可行的。我公司某化纖廠結(jié)合變頻調(diào)速改造,適當(dāng)提高變頻器的輸出頻率,已帶來可觀的增產(chǎn)效果。


(2)變頻調(diào)速可提高產(chǎn)品質(zhì)量


變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn),對于化纖紡絲機(jī)、紡織印染聯(lián)合機(jī)、造紙機(jī)和注塑機(jī)等多單元同步傳動或比例同步(牽伸)傳動非常適用,既有之前直流機(jī)傳動的性能,又有交流機(jī)堅(jiān)固、可靠、維護(hù)簡單的特點(diǎn),使得產(chǎn)品的質(zhì)量有較大的提升。自動化程度提高,減輕工人勞動強(qiáng)度。


(3)變頻調(diào)速與某些特殊加工設(shè)備


由于變頻技術(shù)進(jìn)步,變頻調(diào)速更適宜用于惡劣環(huán)境(爆炸、腐蝕、水下核輻射等)無升速齒輪的甚高速或無降速齒輪的甚低速,以及精確位置控制(變頻伺服系統(tǒng),步進(jìn)系統(tǒng),機(jī)械手和機(jī)器人)系統(tǒng)。


5、變頻調(diào)速與軟起動、軟起動、軟停止


5.1 電力網(wǎng)和生產(chǎn)工藝需要電機(jī)軟起動、軟停止


5.1.1 交流電動機(jī)的起動電流一般為5-7倍額定電流,如果直接起動會對電網(wǎng)引起沖擊,影響同一電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。另外巨大的起動電流對電動機(jī)和機(jī)械設(shè)備也會造成嚴(yán)重的電磁應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力,縮短設(shè)備的使用壽命,因此電力系統(tǒng)希望能夠軟起動(特別是高壓大容量電動機(jī))。


5.1.2 某些加工機(jī)械,例如自動流水生產(chǎn)線(瓶、罐包裝線,輸送機(jī)等),要求平穩(wěn)起動和停車以免相互碰撞倒歪;水泵為了防止水錘、喘振現(xiàn)象,也希望軟起動和軟停止(最好是“泵控特性”專用的軟起動和軟停止)。


5.2變頻器用作軟起動器的特點(diǎn)


不同于電子固態(tài)電動機(jī)軟起動器,因?yàn)樽冾l器起動時(shí),電動機(jī)的電壓和頻率同時(shí)改變,可以維持電動機(jī)的磁通不變(電子式軟起動器只變壓不變頻,故電機(jī)在削弱磁通下起動),因此變頻器軟起動具有更大的起動力矩。非常適合用于重負(fù)載、大慣性的設(shè)備,例如:高爐風(fēng)機(jī)等。這種場合電子式電動機(jī)軟起動器性能無法比擬或根本不能勝任的變頻器既可軟起動又可調(diào)速,應(yīng)用前景十分看好。目前因價(jià)格因素尚不能廣泛推廣,除非個(gè)別的重載起動和大慣量起動場合外,變頻器不單作軟起動器來使用。也許若干年后,待變頻器進(jìn)一步降價(jià)會普遍地應(yīng)用。


6、變頻調(diào)速(含變頻器技術(shù)與家用電器)


在普通家庭中,耗電比重最大的是空調(diào)器,其次是電熱器具,最后是照明和視聽電器等,變頻調(diào)速(含變頻技術(shù))也能發(fā)揮節(jié)約電能和保護(hù)環(huán)境的作用。


6.1 變頻空調(diào)器——由于配置了變頻器(有常規(guī)的它制式變頻器和自制式變頻器,即直流無刷電動機(jī)調(diào)速兩種),不停壓縮機(jī)能夠連續(xù)控制壓縮機(jī)的制冷量,實(shí)現(xiàn)有效的運(yùn)轉(zhuǎn),有利于節(jié)能。另外,變頻空調(diào)器的快速性和舒適感非常好,也有利于環(huán)保。


6.2 高頻電磁灶和電飯煲——利用變頻技術(shù)產(chǎn)生(20-30)KHZ高頻電源使電飯煲本身電磁感應(yīng)(IH-Induction heating)加熱方式,其烹調(diào)熱效率達(dá)80%左右(比早先的電阻加熱器的電飯煲效率提高30%),有利于節(jié)能。


6.3 變頻式照明設(shè)備——利用變頻技術(shù)產(chǎn)生(20-70)KHZ高頻電源給日光燈,可節(jié)省15%電功率,同時(shí)可做到立即點(diǎn)亮,沒有工頻日光燈的內(nèi)爍,適于工作或?qū)W習(xí),也有利于環(huán)保。


6.4 其他家用電器例如變頻冰箱,變頻洗衣機(jī)、變頻微波爐等也已相繼出現(xiàn)。


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