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0.引言

根據(jù)統(tǒng)計，泵和風(fēng)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(chǎn)中，泵和風(fēng)機的交流感應(yīng)電動機是主要的電力負荷，為了滿足工藝生產(chǎn)的各種要求，許多交流電動機的生產(chǎn)設(shè)備需要調(diào)速運行。近十幾年來，隨著電力、電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實際逐漸走向成熟，并且變頻調(diào)速以效率高、調(diào)速范圍大、調(diào)速效率高、無級調(diào)速等優(yōu)點，在各種交直流調(diào)速系統(tǒng)中，尤其是在節(jié)能技術(shù)改造中，變頻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。在設(shè)計或者實際應(yīng)用過程中，經(jīng)常遇到使用變頻調(diào)速器是否能達到節(jié)能要求，能否滿足工藝生產(chǎn)要求等問題。本文通過分析變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能與負載特性的關(guān)系，以供水系統(tǒng)為例，敘述節(jié)能與工藝的關(guān)系，同時給出了一些計算公式和數(shù)值。

1.電機節(jié)能原理

1.1電機變頻調(diào)速原理

所謂變頻調(diào)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(shù)有交一交變頻技術(shù)(直接變頻)和交一直一交變頻技術(shù)(間接變頻)。

1.1.1交一交變頻技術(shù)交一交變頻技術(shù)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(shù)最高輸出頻率只能是電網(wǎng)頻率的1／3以下，所以在變頻領(lǐng)域逐漸被淘汰。

1.1.2交一直一交變頻技術(shù)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(jù)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(diào)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(jīng)過平滑濾波后，在微處理器的調(diào)控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)榭烧{(diào)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(diào)制波與參考正弦波相比較，產(chǎn)生正弦脈寬SPWM信號，以控制功率器件的開關(guān)，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(diào)速是指電動機改變頻率后，仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運行，不增加轉(zhuǎn)速損失的調(diào)速方式。所以變頻調(diào)速是一種高效的調(diào)速方式。變頻器的調(diào)速范圍可達1%-100%，并在整個調(diào)速范圍內(nèi)具有較高的調(diào)速效率。根據(jù)電機學(xué)的原理可知：異步電動機的轉(zhuǎn)速與頻率有以下關(guān)系：n=60f(1-S)／P，式中，f為電源頻率；為電動機轉(zhuǎn)差率；P為電動機極對數(shù)。當(dāng)P和S確定后，電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。因此變頻調(diào)速方式非常適合于調(diào)速范圍寬，負荷經(jīng)常變化的運行設(shè)備。選擇最佳運轉(zhuǎn)速度，可實現(xiàn)低速啟動、平滑調(diào)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(jīng)過整流系統(tǒng)變成直流電后，再用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)逆變?yōu)轭l率、幅度都能可調(diào)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(zhuǎn)速的變化等。

1.2變頻節(jié)能原理

風(fēng)機、水泵類屬于平方轉(zhuǎn)矩負荷，即轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，電動機軸上的輸出功率P與轉(zhuǎn)速N的三次方成正比。因此電動機轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。在生產(chǎn)中，電機安裝變頻調(diào)速器后，降低泵的轉(zhuǎn)速，泵的揚程也相應(yīng)降低，電機的電耗也相應(yīng)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(zhuǎn)矩特性，變頻降速后的電機轉(zhuǎn)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.變頻調(diào)速在恒壓供水裝置上的應(yīng)用

2.1變頻調(diào)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(chǎn)循環(huán)水供水系統(tǒng)為例。該廠鑄造車間應(yīng)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(diào)速30-50Hz，隨機分布來計算，結(jié)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(diào)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(diào)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(chǎn)工作。此外每次生產(chǎn)需要開動的鑄造機組數(shù)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(diào)節(jié)閥門，不但工藝落后，而且容易出現(xiàn)人為的誤調(diào)、漏調(diào)，造成能源設(shè)備的浪費，如果采用變頻調(diào)速則根據(jù)管路水流量或壓力大小自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，保持一個設(shè)定值，達到了改善供水工藝條件的目的。

3.結(jié)語

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已成為我國節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)。實踐證明變頻調(diào)速技術(shù)是一種非常理想的調(diào)速控制方式，既提高了設(shè)備效率，又滿足了工藝生產(chǎn)要求，并且大大減少了設(shè)備維護和維修費用，縮短了停產(chǎn)周期，最終得到的直接和間接的經(jīng)濟效益十分顯著。變頻調(diào)速技術(shù)在整個國民經(jīng)濟的發(fā)展中，具有廣闊的應(yīng)用前景。