论变频技术的节能应用

论变频技术的节能应用

摘要:变频调速技术是当代电机调速的潮流,它有体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、保护齐全、可靠性高、操作简单等优点。文章通过介绍变频调速和节能的原理,简诉变频技术是如何达到节能的目的。

关键词:变频技术交流电调速节能

变频调速技术是当代电机调速的潮流,它以体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、保护齐全、可靠性高、操作简单等优点优于以往的变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合调速,乃至直流调速等调速方式,深受钢铁、有色、石油、石化、化工、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸等行业的欢迎。

变频调速技术的优越性除表现在提高产品质量和产量外;另一重要表现即为节电显著。据统计,我国的用电量中约有六成是通过电动机消耗的。由于起动、过载、安全系统等原因,高效的电动机经常在低效状态下运行,因此其中节能空间巨大,如采用变频器对交流异步电动机进行变频调速控制,可使电动机重新回到高效的运行状态,从而节省大量电能。

1 调频调速原理

(1)变频节能由流体力学可知:风量Q与转速的一次方成正比例,压力H与转速的平方成正比,功率P与转速的立方成正比。即:Q=K1n,H=K2n2,P=K3n3。因此,如果风机的效率一定,当要求调节流量下降时,转速可成正比例下降,此时风机的轴输出功率是成立方关系下降的。

(2)功率因数补偿节能无功功率会增加线损和设备的发热,且功率因数的降低会导致电网有功功率的降低。由公式P=S*COSφ中,Q=S*SINφ,其中S为视在功率,P为有功功率,Q为无功功率,COS中为功率因数,可知COS中越大,P越大,普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,COSφ≈1,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。

(3)软启动节能由于电机为直接启动或Y/△启动,启动电流等于4～7倍额定电流,这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击,瞬间产生的震动对挡板和阀门的损害极大,影响设备寿命。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命,节省了设备的维护费用。由于变频器每千瓦的成本随着其功率增大而减少,变频调速装置的经济性也随着电机功率的增大而提高。变频调速装置投资回收期为一年左右,使用寿命约10年。

2 变频调速节能技术

2.1 节能原理

根据流体力学的原理理论,泵、风机类负载的流量与转速成正比。泵风机类的负载的压力与转速成正比即:P(功率)=Q(流量)*H(压力),可知公式表明,功率P与转速N的立方成正比。如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速关系近似成立方比的关系。如一台水泵电机功率为55kW,当转速下降到原转速的0.8时。其耗电量为28.1kW,节能48.18%。当电动机转速降低时,电动机输出功率将大幅下降。转速紧下降10%,功率消耗下降了27.1%。也就是说节省了相当一部分的电费支出。变频调速技术对风机、泵类电动机的节能效果非常明显。

3 变频技术在节能技术领域的应用

当然变频调速的节能效果也视其负载决定,在恒功率负载时(即在基频以上工作),转矩大致上与速度成反比。而在恒转矩负载(基频以下工作)和风机、水泵类负载时,其节能效果就会凸显出来,尤其是对于后者来说,更是节能调速的最佳方案。

根据流体理论,离心式风机、水泵的轴功率是转速的三次方函数

的关系。根据流体机械的公式为:

即流量与转速成正比,压力与转速平方成正比,轴功率与转速的立方成正比,当所需风量减少,风机转速降低时,其轴功率按转速的三次方下降,理论上如果风量为额定流量的80%,感应电动机转速控制在额定转速的80%运行,其轴功率将为额定功率的51%,与采用挡板调节相比,可减少49%的功率。如果流量下降到额定流量的50%时,感应电动机转速可控制制在额定转速的50%运行,其轴功率为额定功率的13%,与采用挡板调节相比,可减少87%的功率。

根据以上分析,变频调速技术可应用在矿山、冶金、建材、石油、石化、电力等行业,因为这些行业皆应用大量的通风机、压缩机、提升机、补水泵、加压泵等设备,这些设备多数用交流电机驱动,功率均在几百千瓦以上,有的高达数千甚至上万千瓦,消耗电能巨大,但大部分设备不是工作在额定功率,经常只有50%至80%的输出,如采用变频调速技术对其控制,节能意义不言而谕。另外采用变频调速技术还可减少设备振动,消除大电机起动的电流冲击,避免机械震荡,降低设备故障率,减轻设备维修工作量。

4 电力电子变频节能技术的优点和前景

4.1 效率高

发电机方案要作电一机一电的变换,存在传动,空载损耗,其效率在满负荷时只能达到70%,低负荷时不到30%。但变频器仅作电能变换,即交流一直流一交流的方法,故效率高达95%,长期工作时效果更显著。

4.2 适应性好

发电机要根据频率、电压、功率米选择,变颇器只需按功率来定,它的频率,电压均可无级调节,适应各种新、老砂轮轴的驱动要求。

4.3 加工方便,通用性强

对各种砂轮轴供电的发电机,要专门设计、制造、加工复杂周期长、体积笨重,变频器用电子元件组成电箱,装配方便,电路通用,仅需按功率不同配备不同的功率管就行。

4.4 起制动性瞳好

发电机都是在额定频率、电压起动、起动电流是额定电流的5倍,对砂轮轴冲击大;变频器是变频、变压,从小到大同步起动,起动电流限制在额定电流以内,升速平稳,停车时可作能耗制动,停车时间比发电机快,同时,还具有无噪音、无振动、控制方便等优点,也是发电机无法

比拟的。但变颓器也有弱点,线路复杂,电子元件有一定的工作环境要求,如耐冲击性较差等,因此其稳定性,可靠性还有待提高。

5 结语

节能降耗是国际大势所趋,也是我国寻求可持续发展的重要途径。随着电力电子技术、微电子技术与控制理论,以及电力开关器件的发展,交流变频技术从理论到实践,已日益成熟。变频调速以其效率高、范围大、精度高、特性硬、无极调速等优点,在各种交直流调速系统中已逐渐占主导地位,尤其是节能技术方面,变频调速的应用必将不断扩大。

参考文献

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