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變頻調速器的節能節電技術(shù)原理及其應用

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變頻調速控制是一種以改變電機頻率和改變電壓來(lái)達到電機調速目的的技術(shù)。目前無(wú)論哪種機械調速,都是通過(guò)電機來(lái)實(shí)現的。從大范圍來(lái)分,電機有直流電機和交流電機。以前的調速,多數用直流電機,雖然直流機調速容易實(shí)現。但是直流機固有的缺點(diǎn):滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換,給用戶(hù)帶來(lái)諸多不變。因此有人就想,如果把可靠簡(jiǎn)單的籠式交流電機用來(lái)調速那該多好!因而就出現了定子調速、變*調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串*調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出現了YVP變頻調速電機、YCT電磁調速電機(滑差電機)、繞線(xiàn)式電機、同步電機。 

到20世紀80年代,由于電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,才出現了對交流機來(lái)說(shuō)*好的變頻調速技術(shù),它一出現就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調速方式,乃至直流電機調速,而成為電氣傳動(dòng)的中樞。因而說(shuō)變頻調速電機是時(shí)代的產(chǎn)物,只有在技術(shù)不斷發(fā)展的今天才能實(shí)現。為什么說(shuō)它是基于電力電子、微電子、信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物?一是它的逆變部分都基于電流很大、電壓很高的 SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT等電力電子器件來(lái)完成的。什么叫逆變:就是直流變交流(DC-AC)那么交流變直流就叫整流(AC-DC)。二是它的控制部分和負載狀態(tài)的檢測是由CPU(32位計算機)來(lái)完成,這是微電子器件發(fā)展的結果。三是內置4-20mA 接口和 RS485 接口可以和儀表、DCS 相接,通過(guò)總線(xiàn)Profibus、Interbus 通訊。 

調速節能原理從二個(gè)方面來(lái)說(shuō)明: 

1、風(fēng)機水泵的節電原理就是用調速控制代替擋風(fēng)板或節流閥控制風(fēng)流量,這是一個(gè)節電的有效途徑。在用檔風(fēng)板控制額定風(fēng)量Q1=100%輸出時(shí),則軸功率N1與面積AH1 OQ1成正比,若風(fēng)量減半Q2 =50%輸出時(shí),則軸功率N2與面積BH2 OQ2成正比,它比N1減少不多,這是因為需要克服檔風(fēng)板阻力增大風(fēng)壓所致。如果采用調速控制同樣風(fēng)量減半輸出時(shí),轉數由n1降至n2,按風(fēng)機參數比例定律畫(huà)出n2時(shí)的特性曲線(xiàn),C點(diǎn)為新的工礦點(diǎn),這時(shí)軸功率N2與面積CH3OQ2成正比,在滿(mǎn)足同樣風(fēng)量Q2情況下,軸功能降低很多,節省的功率耗損△N與面積BH2H3C成正比,可見(jiàn)節電效果顯著(zhù)。 

2、流體力學(xué)的觀(guān)點(diǎn) 。流量∝轉速,壓力∝轉速^2,軸功率∝轉速^3,若轉速下降20%,則功率下降到51.2% ;若轉速下降50%,則軸功率下降到12.5% ,即使考慮調速裝置本身的損耗等因素,節電也是相當可觀(guān)的。為此,許多行業(yè)、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機械、電力、建材、醫藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來(lái)水等行業(yè)都在許多設備中采用交流電機變頻調速技術(shù),產(chǎn)生節電及增產(chǎn)的效果。

下面舉幾個(gè)例子: 

實(shí)例 1、空調類(lèi)負載 

       家庭用空調只有0.5HP、1HP、2HP、3HP等,而工廠(chǎng)和賓館的空調容量要大的多,節電明顯。飯店動(dòng)力中心是一個(gè)集中供冷、供熱的工廠(chǎng),安裝有20噸/小時(shí)蒸汽鍋爐3臺,300萬(wàn)大卡溴化鋰制冷機4臺,負責動(dòng)力廠(chǎng)周?chē)娘埖?、賓館、學(xué)校、及飯店宿舍、托兒所、公園、公寓、學(xué)校的供熱、供冷,供熱面積30萬(wàn)平方米、供冷面積20萬(wàn)平方米。91年,對水泵制冷機、引風(fēng)機采用變頻控制,節電明顯,一般在30~60%,年節電17.5萬(wàn)KW,**其它調速方式,節電效果很好。

實(shí)例 2、泵類(lèi)負載 

       泵類(lèi)負載,量大面廣,包括水泵、油泵、化工泵、泥漿泵、沙泵等,有低壓中小容量,也有高壓大容量。石化公司煉油廠(chǎng)從1990年開(kāi)始先后在蒸餾、裂解、加氫、糠醛、酮笨等20多條生產(chǎn)線(xiàn)上使用161臺變頻調速電機。變頻器總功率達8091KW。1990年10月至1992年2月對其中30臺泵進(jìn)行測試,在同等工藝下,采用調節閥控制耗電999.9KW,而采用變頻調速電機電耗為396.7KW,節電603.2KW,節電率60.3%。采用變頻控制時(shí),電機和泵的轉數下降,軸承等機械部件磨損減低,泵端密封系統不易損壞,電機故障率降低,維修工作量大為減少。94年后,該廠(chǎng)又采用了14套6KV大容量變頻裝置,節電40%到70%,取得了較好的節電效果。 

實(shí)例 3、電梯高架游覽車(chē)類(lèi)負載 

       由于電梯是載人工具,要求拖動(dòng)系統可靠,又要頻繁的加減速和正反轉,電梯動(dòng)態(tài)特性和可靠性的提高,便增加了電梯乘坐的安全感、舒適感和效率。過(guò)去電梯調速直流居多,近幾年逐漸轉為交流電機變頻調速,無(wú)論是日本,還是德國。我國不少電梯廠(chǎng)都爭先恐后的用變頻調速電機來(lái)裝備電梯。

       許多人坐過(guò)深圳世界之窗的單軌高架游覽車(chē),該車(chē)行駛中頻繁起動(dòng)、停車(chē)、上坡、下坡,并要求起停平穩,車(chē)速恒定。由于是載人車(chē),運行必須安全可靠,常年日曬雨淋,環(huán)境惡劣。以往要求調速性能高的傳動(dòng)裝置,多采用帶測速反饋的矢量控制系統,價(jià)格較高。為了降低價(jià)格,并維修方便,采用了通用型變頻器轉矩矢量控制方式,解決了起動(dòng)/加速、停車(chē)/減速、恒速/變速行駛等,并防止了“下滑”、“沖站”現象的產(chǎn)生,達到了安全可靠,用戶(hù)非常滿(mǎn)意。

案例 4、攪拌機類(lèi)負載 

化工、醫藥行業(yè)攪拌機非常之多,采用變頻調速取代其他調速方式,好處特多。制藥廠(chǎng)氫化發(fā)酵崗位共有 8臺6.5噸發(fā)酵罐,電機功率為18.5KW,原為齒輪調速,如遇攪拌速度變化需拆卸三角皮帶,既笨重又不安全。改用變頻調速電機后,年節電8.6萬(wàn)KW,發(fā)酵過(guò)程明顯好轉,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,減少了維修,僅減少三角帶費用就節省3萬(wàn)元,減少了工人勞動(dòng)強度,有益于工廠(chǎng),有益于工人。

實(shí)例 5 、注塑機類(lèi)負載 

       注塑機是塑料加工成型的關(guān)鍵設備,數量多,耗電大。過(guò)去的節電方式多為通過(guò)△型轉換Y型(星型)來(lái)節電的,效果一般。采用變頻器調速技術(shù)在不改變注塑機原來(lái)的結構情況下,控制油泵幾個(gè)過(guò)程的壓力或流量(如鎖模、合模、射膠、保壓、脫模、退模等),可節電20%~52%,較好的取代過(guò)去的比例閥節流調速方式,大幅度降低能耗,珠三角的不少注塑廠(chǎng)都進(jìn)行了變頻改造。改造注塑機時(shí),要注意合模加速,否則產(chǎn)量降低;注意輸入端和輸出端的諧波干擾。 

實(shí)例 6 、污水處理等環(huán)保類(lèi)負載 

       環(huán)境保護越來(lái)越被重視,它關(guān)系到人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境,連申奧也有環(huán)境指標。于是乎清潔能源、綠色城市均出現了。變頻調速可用在三個(gè)方面的環(huán)保類(lèi)負載。一是工業(yè)污水處理,二是電廠(chǎng),三是工業(yè)排煙、排氣、除塵的控制。如煉油廠(chǎng),改用曝氣機污水處理的攪拌設備,采用籠式電機變頻調速后,提高產(chǎn)品可靠性,節電40%以上,同時(shí)提高了活性污泥微生物群的壽命,提高了污水處理的效果。再如佛山電廠(chǎng)在工藝中選用52臺變頻器??梢?jiàn)變頻調速已成為環(huán)境保護的主要設備。中國石化總公司制定一個(gè)熄滅火炬(主要指大煉油廠(chǎng)的可燒氣體)計劃,即是把可燃氣體輸送到用變頻調速的壓縮機柜回收。 

實(shí)例7、音樂(lè )噴泉類(lèi)負載 

       非常招攬游人的音樂(lè )噴泉,其水的高低和量的大小是靠變頻控制的。亞洲噴水*高的廣東河源市音樂(lè )噴泉和規模很大的山東濟南泉城廣場(chǎng)音樂(lè )噴泉均屬于此,即節電又效果頗佳,在施工音樂(lè )噴泉時(shí),要注意變頻器諧波對控制系統的干擾。 

實(shí)例 8、卷煙機類(lèi)負載 

       卷煙行業(yè)過(guò)去進(jìn)口的卷煙機,不論莫林8、還是莫林10,均非無(wú)級調速。因而,在卷煙行業(yè)主要是解決無(wú)級調速和可靠性問(wèn)題,技術(shù)簡(jiǎn)單,變頻器操作方便。昭通卷煙廠(chǎng)十九臺進(jìn)口的格蘭特4卷接包裝聯(lián)合機組采用變頻調速后,日增產(chǎn)香煙200 箱,200箱香煙的利稅相當19臺變頻器的價(jià)格,即一天收回投資。因而,卷煙機改造迅速,受益大。 

實(shí)例 9 、大型窯爐煅燒類(lèi)負載 

       冶金、建材、燒堿等大型工業(yè)轉窯(轉爐)以前大部分采用直流、整流子電機、滑差電機、串*調速。由于這些調速方式或有滑環(huán)、或效率低,近年來(lái),不少單位采用交流變頻控制,效果很好。株州冶煉廠(chǎng)鋅浸出渣揮發(fā)回轉窯是回收鋅的主體設備,共有三臺。窯外徑2.8米,長(cháng)44 米,原用正流子電機和滑差電機拖動(dòng),故障多,經(jīng)常跳閘,維修量較大。由于現場(chǎng)環(huán)境惡劣,導電塵埃多,電機火花不斷。刷握、碳刷更換不斷,90年小修56 次,更換碳刷1670只,刷握647只,影響了生產(chǎn)進(jìn)度。91年6月該廠(chǎng)完成了回轉窯的變頻調速改造。運行平穩、可靠、操作簡(jiǎn)單,沒(méi)有發(fā)生因電機拖動(dòng)故障而影響生產(chǎn)。年節電12萬(wàn)度,超產(chǎn)117.82萬(wàn)元。唐山堿廠(chǎng)輕灰煅燒爐是純堿生產(chǎn)關(guān)鍵設備,直徑3.6米,爐身長(cháng)30米,總重266 噸,采用 220KW變頻器拖動(dòng),低頻啟動(dòng)好,旋轉穩定,可靠性高,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 

實(shí)例 10 、吊車(chē)、翻斗車(chē)類(lèi)負載 

       吊車(chē)、翻斗車(chē)等負載轉矩大且要平穩,正反頻繁且要可靠。變頻裝置控制吊車(chē)、翻斗車(chē)滿(mǎn)足這些要求。獨子山石化廠(chǎng)酮苯車(chē)間為三臺過(guò)濾器的安裝而設置一臺20噸橋式起重機,工藝要求防爆,采用防爆籠型電機。原生產(chǎn)的吊車(chē)主鉤、輔鉤、大車(chē)、小車(chē)無(wú)調速功能,不能定位。力矩小,吊起物體下滑,無(wú)法吊裝19噸重的過(guò)濾器機座,使該車(chē)間晚開(kāi)工一年多,損失千萬(wàn)元。91年7月采用變頻調速加制動(dòng)電機功能,使主鉤、輔鉤、大車(chē)、小車(chē)五臺電機由一臺變頻器控制,效果很好。過(guò)載試驗吊起22噸,很快把3臺各重40噸的過(guò)濾機安裝在10米高二層平臺的機位上。碼頭港機、車(chē)站龍門(mén)吊、貨場(chǎng)堆取料機等都可以采用變頻調速裝置,以達到可靠、平穩、節電、少維修的目的。變頻調速電機,除節電顯著(zhù)外,還是某些生產(chǎn)工藝中必需的設備。 

實(shí)例 11 、轉爐類(lèi)負載 

       轉爐類(lèi)負載,用交流變頻代替直流機組簡(jiǎn)單可靠,運行穩定。1994年5月1日,承德鋼鐵公司煉鋼廠(chǎng)三套20噸轉爐直流拖動(dòng)系統全部處于故障狀態(tài)。經(jīng)專(zhuān)家改造后,20噸轉爐傾動(dòng)和氧槍升降采用交流變頻調速拖動(dòng)。從供貨到安裝、調試、經(jīng)過(guò)13 天,三臺轉爐全部正常投入生產(chǎn)。這是我國20噸轉爐傾動(dòng)和氧槍升降采用變頻調速。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)應用,該系統運行穩定可靠,技術(shù)指標滿(mǎn)足工藝要求。轉爐、氧槍主傳動(dòng)系統引起的熱停工減少90%以上,年增產(chǎn)1.5萬(wàn)噸鋼,節電22萬(wàn)度,直接經(jīng)濟效益231萬(wàn)元。為鋼廠(chǎng)以后穩定的生產(chǎn)打下堅實(shí)的基礎。

實(shí)例 12 、特種電源類(lèi)負載 

       許多電源,如實(shí)驗電源,飛機拖動(dòng)電源(400HZ)都可用變頻裝置來(lái)完成,好處是投資少、見(jiàn)效快、體積些操作簡(jiǎn)單。粘膠纖維行業(yè)紡絲設備多數是高速電機,眾多的紡綻電機為150HZ/160V 。長(cháng)期以來(lái),國內粘膠行業(yè)一直使用電動(dòng)——發(fā)電機組中頻電源供電,稱(chēng)動(dòng)變頻。由于這種方法弊病太多,而逐步采用交流變頻電源供電,稱(chēng)靜變頻。邵陽(yáng)化纖廠(chǎng)是我國粘膠行業(yè)*早自行應用靜變頻的廠(chǎng)家,8臺160KW 變頻器分二組供電(每組一臺備用)。自1992 年12月生產(chǎn)以來(lái),比動(dòng)變頻有明顯的優(yōu)勢。 

1.運行多年,未發(fā)生故障跳閘。 

2.運行穩定,電壓、頻率波動(dòng)*些。 

3.調頻方便,為工廠(chǎng)生產(chǎn)不同捻度的絲餅創(chuàng )造了條件。 

4.噪音小,改善了操作人員的環(huán)境。 

5.提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

6.增加了產(chǎn)量。

7.節電13%。 

靜變頻為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)很多好處,不少企業(yè)采用了靜變頻技術(shù)。變頻調速技術(shù)具有體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝**、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),深受用戶(hù)歡迎,變頻調速電機技術(shù)是節能、降耗、增產(chǎn)的理想設備。

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