從原理談變頻調速在供水裝置上的運用
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0.引言
根據統(tǒng)計，泵和風機類負載的用電量占電動機用電的50%左右,占全國用電量的30%以上。在工業(yè)生產中，泵和風機的交流感應電動機是主要的電力負荷，為了滿足工藝生產的各種要求，許多交流電動機的生產設備需要調速運行。近十幾年來，隨著電力、電子技術的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟，并且變頻調速以效率高、調速范圍大、調速效率高、無級調速等優(yōu)點，在各種交直流調速系統(tǒng)中，尤其是在節(jié)能技術改造中，變頻技術的應用越來越廣泛。在設計或者實際應用過程中，經常遇到使用變頻調速器是否能達到節(jié)能要求，能否滿足工藝生產要求等問題。本文通過分析變頻調速技術節(jié)能與負載特性的關系，以供水系統(tǒng)為例，敘述節(jié)能與工藝的關系，同時給出了一些計算公式和數值。
1.電機節(jié)能原理
1.1電機變頻調速原理
所謂變頻調速就是采用大功率電子器件(如巨型晶體管GTR、絕緣柵雙極型功率晶體管)將380V、50Hz的市電變換為用戶所要求的交流電源或其他電源。常見的變頻技術有交一交變頻技術(直接變頻)和交一直一交變頻技術(間接變頻)。
1.1.1交一交變頻技術交一交變頻技術是把380V、50Hz的市電直接變成頻率低的交流電源。交一交變頻電路一般采用三相橋式電路。此技術最高輸出頻率只能是電網頻率的1／3以下，所以在變頻領域逐漸被淘汰。
1.1.2交一直一交變頻技術交一直一交變頻是將市電整流成直流電，再變頻為要求頻率的交流電。交一直一交變頻分為諧振變頻和方波變頻。諧振變頻主要用于中頻加熱；方波變頻又分為等幅、等寬變頻和SPWM變頻。交一直一交變頻電路由整流器、濾波環(huán)節(jié)和逆變器三部分組成。根據中間濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型和電流源型，使用最多的是電壓型變頻調速器。變頻器工作時，首先將三相交流電整流為直流電，直流電經過平滑濾波后，在微處理器的調控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)榭烧{的三相交流電壓和頻率，達到最終變頻目的。SPWM變頻主要原理是用三角調制波與參考正弦波相比較，產生正弦脈寬SPWM信號，以控制功率器件的開關，得到按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，實現(xiàn)同時變頻變壓。變頻調速是指電動機改變頻率后，仍在該頻率的同步轉速附近運行，不增加轉速損失的調速方式。所以變頻調速是一種高效的調速方式。變頻器的調速范圍可達1%-100%，并在整個調速范圍內具有較高的調速效率。根據電機學的原理可知：異步電動機的轉速與頻率有以下關系：n=60f(1-S)／P，式中，f為電源頻率；為電動機轉差率；P為電動機極對數。當P和S確定后，電動機轉速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變轉速n，從而實現(xiàn)變頻調速。因此變頻調速方式非常適合于調速范圍寬，負荷經常變化的運行設備。選擇最佳運轉速度，可實現(xiàn)低速啟動、平滑調速，最高速度不受電源影響，可以達到電動機高速化、小型化的目的。交流變頻器的基本工作原理如圖1所示，交流工頻電流先經過整流系統(tǒng)變成直流電后，再用正弦波脈寬調制技術逆變?yōu)轭l率、幅度都能可調的三相交流電，再以受控方式將交流電供給三相異步電動機，受控交流電的頻率隨著三相異步電動機的運行狀況改變而改變，從而滿足電動機的運行需要。變頻器的保護系統(tǒng)保證可靠的工作，保護電動機運行系統(tǒng)的安全，并顯示故障類型。可通過操作屏上的顯示器觀察到二次電壓、二次電流、頻率和出軸轉速的變化等。
1.2變頻節(jié)能原理
風機、水泵類屬于平方轉矩負荷，即轉矩M與轉速N的平方成正比，電動機軸上的輸出功率P與轉速N的三次方成正比。因此電動機轉速稍微下降時，電動機輸出功率就會大幅度下降，耗電量也隨之大為減少。當轉速下降1／2時，流量下降1／2，壓力下降1／4，功率下降為1／8，即功率與轉速成3次方的關系下降。在生產中，電機安裝變頻調速器后，降低泵的轉速，泵的揚程也相應降低，電機的電耗也相應降低，使原來消耗在泵出口閥上的功率也得到了解決。由于采用恒轉矩特性，變頻降速后的電機轉矩不變，拖動力矩恒定，可以保證流量，從而實現(xiàn)了節(jié)約電能的作用。
2.1變頻調速在恒壓供水裝置上的節(jié)能實例目前，恒壓供水用于許多供水系統(tǒng)上，我們以某180kA大型鋁電解企業(yè)的鑄造生產循環(huán)水供水系統(tǒng)為例。該廠鑄造車間應用2臺55kW冷卻水泵，2臺30kW熱水泵，形成循環(huán)供水。平常工作方式為一開一備，水壓限于0.MPa左右。在此條件下，測得冷泵實際電流為44A（額定電流為102A），熱泵電流32A（額定電流為56A）。如果按一年工作360日，調速30-50Hz，隨機分布來計算，結果可以節(jié)約電量：熱泵30×24×360×（56-32）／56=111085(度)；冷泵55×24×360×（102-44）／102=270211(度)，按每度0.5元計算每年可以節(jié)約[111085(度)+270211(度)]×0.25=95324元。水泵使用變頻調速后，省電效果非常明顯。
2.2速在恒壓供水裝置上的其它優(yōu)點除了節(jié)約能量外，采用變頻調速這種恒壓供水還有如下好處：穩(wěn)定水壓，防止由于人為操作閥門引起水壓變化不一，引起廠房水淹而影響正常生產工作。此外每次生產需要開動的鑄造機組數量不同，用水量不一樣，交接班期間幾乎有一個小時左右不用開動機組，在這種情況，如果人為調節(jié)閥門，不但工藝落后，而且容易出現(xiàn)人為的誤調、漏調，造成能源設備的浪費，如果采用變頻調速則根據管路水流量或壓力大小自動調節(jié)電機轉速，保持一個設定值，達到了改善供水工藝條件的目的。
3.結語
隨著世界經濟的發(fā)展，變頻調速技術已成為我國節(jié)能的一項重點推廣技術。實踐證明變頻調速技術是一種非常理想的調速控制方式，既提高了設備效率，又滿足了工藝生產要求，并且大大減少了設備維護和維修費用，縮短了停產周期，最終得到的直接和間接的經濟效益十分顯著。變頻調速技術在整個國民經濟的發(fā)展中，具有廣闊的應用前景。
