变频节能技术的研究与应用

变频节能技术的研究与应用内容摘要近十几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，也就是说计算机数字控制技术以及交流调速技术已经取代了模拟控制技术和直流调速技术的时代，成为了新的发展趋势。

当代社会用以推动技术进步、为提高产品质量而改善工艺流程、节约电能的重要手段就是采用电机交流变频调速技术。

变频调速技术是国内外都非常认可的最有发展前途的调速方式，因为它具有适用范围广，拥有节能效果以及高功率因数、高效率，启制动性能和调速效果优异等等优点。

本文在总结前人研究的基础上，指出了变频技术的国内外研究现状，并对变频技术的基本理论进行相关的分析，为了对变频技术有一个细致的了解，本文以华能曲阜热电厂节能改造为例，详细的介绍了变频节能系统配置、变频控制系统的基本原理以及变频节能系统调试过程，并总结出改造的结果。

关键词：变频技术；节能改造；变频器；凝结水泵目录内容摘要 (I)1 绪论 (1)1.1 课题的背景及意义 (1)1.2 国内外发展现状 (2)1.2.1 国外变频技术发展现状 (2)1.2.2 我国变频技术发展现状 (2)1.3 论文主要工作 (4)2 变频节能技术简介 (5)2.1 变频器的基本结构 (5)2.2 变频器的分类 (6)2.3 变频节能原理 (6)3 变频节能系统 (8)3.1 变频节能系统配置 (8)3.1.1 变频改造方案 (8)3.1.2 变频改造设置 (9)3.2 变频控制系统的基本原理 (10)3.3 系统调试及参数 (11)3.3.1 凝结水泵变频器操作 (11)3.3.2 变频器运行操作 (12)3.3.3 机组电机和水泵参数 (12)4 变频节能改造效果分析 (14)4.1 #2机组凝结水泵改造结果分析 (14)4.2 #1机组凝结水泵改造结果分析 (14)5 结论 (16)5.1 结论 (16)5.2 变频技术展望 (16)参考文献 (17)1 绪论1.1 课题的背景及意义变频技术，即利用相关的技术方法改变用电设备的供电频率，从而能够满足控制设备输出功率的最终目标。

变频技术凭借完全成熟的技术条件，已经让它的应用达到了新的高潮，伴随着自动控制理论、计算机、电力电子、微电子学等的发展，也使其进入了一个崭新的时代。

变频技术就是利用变频调速来改变轴输出功率，从而实现了减少输入功率以便节省电能的目的[1]。

变频技术基本的使用原理是通过很长的一段时期，使得使用交流电源的所有的电气设备的工作频率保持在一个固定的标准上，变频技术的出现使得我们可以通过控制频率的大小来实现资源的节约，现如今，变频技术中发展最为迅速以及应用最为普遍的就是变频调速技术。

变频技术涵盖的内容十分的广泛，它主要是由点击传动技术、电力电子技术以及计算机技术等组合而成的综合性的新技术，包含了电力系统和机械设备方面的各种知识，它在工作的时候将工频电流的信号频率通过相应的操作转变成其他的频率，这样的转变主要是运用半导体的原件进行操作完成，然后再把交流电源转变成直流电，在对频率进行转化的时候，使得机电设备的节省率控制在最佳的范围，总之，变频技术简单而言就是将电器设备的使用频率进行相应的转化，使得电器设备处于最省电的状态，使得电流的频率同发电机的转速保持同等的一致，这种技术能够使得电机平稳的进行工作，同时可以进行自动化的减速和加速处理，在提高电器设备工作效率的前提下，尽量的减少能源的损耗。

火电厂的内部用电主要集中于汽水系统的泵、燃烧系统的风机以及制粉系统的磨煤机，耗电量尤为突出的是风机和泵。

一般情况下，我们采用“效率”对风机和泵的运行经济性进行评价，火电厂中的循环水泵、凝结水泵以及锅炉给水泵的耗电量大约占据大容量机组的所有厂用电量的50%，锅炉引风机和送风机的电耗占到厂用电量的25%左右，由此可见，火电厂的内部用电量绝大部分都是风机和泵损耗的，因此，提高风机和泵的作业效率，尤其是泵，对于节能而言有着至关重要的作用。

1.2 国内外发展现状1.2.1 国外变频技术发展现状日本三菱变频器和富士BJT变频器利用小功率交流变频调速技术，最大单机容量已达到700kV·A以上，并且IGBT变频器已经拥有了属于自己的系列产品，控制系统达到了全数字化的水平。

德国的西门子公司用中功率变频调速技术，将单机容量100-900kV·A的SimovertPGTOPWM[2]变频调速设备以及单机容量达10-2600kV·A的Samovars电流型晶闸管变频调速设备应用于水泵传动风机、电力机车，它的控制系统也已经达到全数字化的水平。

意大利ABB公司通过大功率无换向器电机的变频调速技术，将单机容量六万千瓦的设备应用于抽水蓄能电站。

法国的阿尔斯通已经能够通过大功率交-交变频，即循环变流器的调速技术将单机容量达三万千瓦的的电气传动设备应用于船舶的推经系统。

国外的交流变频调速技术的高速发展具有以下几个方面的特点：（1）微电子技术和控制理论的发展。

专用集成电路技术、信号处理器和16位、32位高速微处理器的高速发展，给予了变频器多功能、高精度性能产生的硬件条件，同时，模糊控制、转矩控制、磁通控制、矢量控制等这些新的控制理论给予了高性能的变频器的产生以雄厚的理论基础。

（2）功率器件的发展。

最近几年以来，串联、并联技术的发展应用，大电流的IGCT、IGBT、GTO以及SCR、高电压等期间的生产，让具有大功率、高低压性能的变频器产品真正得以生产并广泛应用。

（3）市场的大量需求。

能源全球性短缺问题的到来以及工业自动化的程度不断的提高，变频器也得以在水泵、风机等节能场合以及食品、冶金、造纸、化工、纺织、机械等各个领域广泛应用，并且取得了显著的经济效益。

（4）基础工业和各种制造业的高速发展使得变频器相关配套件社会化、专业化生产。

1.2.2 我国变频技术发展现状变频调速技术是最近几年来在交流调速技术中发展最快，也是最活跃的，同时，它也是交流调速的主要内容和基础。

变压器出现在上个世纪，它的出现为改变电压变得更加容易，也造就了一个相当庞大的电力行业。

变频调速技术的出现，让频率变成了可充分利用的资源，也改变了一直以来交流电的频率一直是固定不变的这个状况。

自研发至今，变频技巧在很多出产工艺中都获得了明显的节能效果。

国度《节能减排十二五计划》要求实行节能改革工程，电机系统节能是重要工程之一，要求对电机系统实行变频调速、永磁调速、无功补偿等节能改革，优化系统运行和把持，进步系统整体运行效力。

计划提出，2015年电机体系运行效率比2010年进步2个~3个百分点，十二五时代构成800亿千瓦时的节电才能。

因此，十二五以来，节能环保作为我国产业经济发展的中心，在为我国产业的可连续发展指明方向的同时，也在有效拉动我国变频器行业的可连续发展，使我国变频器行业一直拓展工业的市场占领率，并凭借强劲的发展力成为我国工业经济发展的主要基点[3]。

目前，我国正在鼎力推进节能环保理念，在2012年变频工业的细分化市场涌现6%的萎缩之后正在逐渐回复增加，4万亿元的节能环保投资进一步刺激变频器行业市场的发展。

以水泥行业为例，在水泥厂的机电设备中，离神思、水泵类设备、空气紧缩机、选粉机、回转窑、球磨机、板式喂料机、调速皮带秤、喂煤绞刀、篦冷机及破窑罗茨风机、卸料机等所有须要交换调速的设备上都能够用变频调速器，以到达节能降耗的功能[5]。

其中，风机调节采取变频调速作为节能手腕在海内外各行业被普遍采用，国外水泥企业已普遍应用风机变频调速满意不同工作状况体系调节，以减少电耗本钱。

挖掘风机节能潜力成为晋升水泥企业市场竞争力的一大举动。

1.3 论文主要工作本文主要对变频节能技术及其应用进行研究。

全文共分为五章，各章内容简介如下：第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；第二章主要介绍了变频节能的基本理论，主要包括变频器的基本结构、变频器的分类以及变频节能的基本原理等；第三章主要是以华能曲阜热电厂#1机和＃2机分别安装有2台6kV凝结水泵电机改造为例，详细的介绍了变频节能系统配置、变频控制系统的基本原理以及变频节能系统调试过程等；第四章是在第三章的基础上，对第三章的节能改造项目结果进行分析，得出节能的基本情况等；本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2 变频节能技术简介2.1 变频器的基本结构变频器就是把工频电流电源（电网供电）转换成交流电的交流装置，这种频率可以变、电压也可变的交流电才是交流电机变频调速所需要的。

变频调速系统中的变频器可以分为两种：“交-直-交”形式的变频器和“交-交”形式的变频器，如下图2.1所示：图2.1 变频器示意图“交-直-交”电压型变频器是迄今为止应用最广泛的中小容量变频器，其基本结构如下图2.2所示：图2.2 “交-直-交”电压型变频器结构图其包括以下几个主要环节：（1）中间直流环节，为了保证控制电路以及逆变电路获得高质量的直流电源，就需要通过该环节对整流电路的输出进行滤波[6]。

电压型变频器就是在滤波时采用的是大电容，电流型变频器则是在进行滤波时采用大电感进行。

本文统一采用的是电压型变频器进行的论述。

（2）逆变器，功率逆变器就是将直流转换成电压可调、频率可变的交流电的装置。

使用的功率元件主要有功率场效应管、大功率晶体管、控制极可关断的晶闸管以及普通的晶闸管等。

（3）整流器，可分为可控整流器和不可控整流器，前者由晶闸管元件构成，后者由硅整流元件构成。

其作用就是将交流电整合成直流电。

此方面的技术早就已经成功解决，并且大家已耳熟能详。

（4）控制电路是根据变频调速的不同控制方式产生相应的控制指令，控制功率逆变器中各种功率元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。

一般采用SPWM数字波形的方法进行控制驱动逆变器。

2.2 变频器的分类变频器的分类方法有多种，通用变频器按其主电路结构形式可分为交-交变频器和交-直-交变频器，如果主电路中没有直流中间环节的称为交-交变频器，有直流中间环节的称为交-直-交变频器；按其工作方式可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照逆变器开关方式分类，可以分为PAM（Pulse Amplitude Modulation，脉冲振幅调制）控制变频器、PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）控制变频器和高频载波SPWM（Sinusoidal PWM，正弦脉宽调制）控制变频器；按其逆变器控制方式可以分为V/f控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

2.3 变频节能原理所谓变频调速是指通过转变电机的转动速度，从而达到节能的目的，其最终的目的就是使得电机的输出功率与相应的负荷变化相结合，使得他们的步调一致，这样就可以达到节能的目的。