變頻器是電力電子科學的具體體現,是利用電力電子半導體器件的通斷作用來實現電力電能大功率的變換及控制的電子電路裝置,本文就變頻器應用在電動機中的工作原理及節能原理進行了簡要闡述。
前言
知道變頻調速的人已經相當的普遍了,但是大多數人一提起變頻調速,總是能和節能掛起鉤來。近年來,盡管我國在能源開發方面進展迅速,但還是跟不上需求的增長,節能問題始終處于相當突出的位置。宣鋼煉鋼廠經過多次理論考證,以及在五六號轉爐的應用，在150T轉爐除塵風機、水泵、振動給料采用了大量變頻器,為我國的節能事業做出一定貢獻。
1 變頻器的工作原理
變頻器主要由模塊，CPU控制板，電源驅動板組成，見圖。
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我們知道,交流電動機的同步轉速表達式位:n=60f(1-s)/p(1)式中n為異步電動機的轉速;f為異步電動機的頻率;s為電動機轉差率;p為電動機極對數。由式(1)可知,轉速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動機的轉速,當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時,電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的,是一種理想的高效率、高性能的調速手段,若什么時候都認為電動機只要用了變頻器就可以節能,那就有些太牽強了。變頻器是電力電子科學的具體體現,是利用電力電子半導體器件的通斷作用來實現電力電能大功率的變換及控制的電子電路裝置,即電力電路實現電子化,可直觀地進行控制和顯示。由于變頻器的這個優越性,使得其適用領域越來越寬廣,所采用技術也不斷拓寬,同時也為追求變頻器的小型化,人們也一直在不斷和減少元器件的發熱做斗爭。由于新一代的IGBT采用了漏極-控制極新技術,是集電極-射極簡的飽和電壓(Ucesat)大為降低,因而采用這種新器件損耗低,有降低發熱消除損耗的效果。
380V小容量通用變頻器目前應用較為廣泛,但用電量比較大,節能效果***為顯著的還是高壓大容量變頻器。隨著變頻調速技術的發展,作為大容量傳動的高壓變頻調速技術得到了廣泛的應用,使用范圍基本上覆蓋了我國各主要行業,如:電力、冶金、石油、化工、造紙等。產品電壓等級包括3kV、6kV和 10kV以及油田專用潛油電泵使用的1,600V-2,400V產品,基本可拖動風機、水泵、壓縮機等各類負載。高壓電動機利用高壓變頻器可以實現無級調速,既可滿足生產工藝過程對電動機調速控制的要求,又可大幅度的節約能源,降低生產成本。隨著以GTO、IGBT、IGCT等為代表的自關斷器件的發展, 人們對各種適合高壓變頻的主電路拓撲結構的研究得到進一步深入,以DSP為代表的智能控制芯片的迅速普及,為高壓變頻調速技術應用研究也打下了堅實的基礎。高壓變頻器作為一個節約資源型的產品,隨著電力電子技術的不斷發展,產品的不斷改進,概念的深入,市場的拓展,將會顯示出巨大的技術發展前景和市場需求量.相應地,對變頻器的節能要求也相應地提高了。
2 變頻器的節能原理
2.1 變頻節能
變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。宣鋼煉鋼廠有大量的風機類水泵類負載,這類負載由流體力學可知,p(功率)=Q(流量)×H(壓力),流量Q與轉速N的一次方成正比,壓力H與轉速N的平方成正比,功率P與轉速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,當要求調節流量下降時,轉速N可成比例的下降,而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。所以當所要求的流量Q減少時,可調節變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低,轉速控制方式在低速小流量時,仍可使泵機高效率運行。這時,電動機的功率p將按三次方關系大幅度地降低,比調節擋板、閥門節能 40%～50%,從而達到節電的目的。為了保證生產的可靠性,各種生產機械在設計配用動力驅動時,都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時,除達到動力驅動要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量,其輸入功率大,且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時,如果流量要求減小,通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。例如: 一臺離心泵電機功率為55千瓦,當轉速下降到原轉速的4/5時,其耗電量為28.16千瓦,省電48.8%,當轉速下降到原轉速的l/2時,其耗電量為 6.875千瓦,省電87.5%。
2.2 功率因數補償節能
無功功率不但增加線損和設備的發熱,更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低,大量的無功電能消耗線路當中,設備使用效率低下,浪費嚴重,使用變頻調速裝置后,由于變頻器內部濾波電容的作用,從而減少了無功損耗,增加了電網的有功功率。
2.3 軟啟動節能
電機硬啟動對電網造成嚴重的沖擊,而且還會對電網容量要求過高,啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大,對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后,利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始,***大值也不超過額定電流,減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求,延長了設備和閥門的使用壽命。節省了設備的維護費用。
3 結論
變頻調速之所以節能,主要在于把全速運行中浪費的電能節約了下來。尤其是閉環調速系統,如恒壓供水系統等,實現了按需拖動,幾乎完全消除了拖動系統在運行過程中的浪費。這是從大的方面實現了節能,但并不等于節能潛力已經挖掘干凈了。事實上,在許多場合,還存在著大馬拉小車的現象,在這一方面,還大有潛力。變頻器可以省電這是不可磨滅的事實,在某些情況下可以節電40%以上,但是某些情況還會比不接變頻器浪費!變頻器是通過輕負載降壓實現節能的, 拖動轉距負載由于轉速沒有多大變化,即便是降低電壓,也不會很多,所以節能很微弱,但是用在風機環境就不同了,當需要較小的風量時刻,電機會降低速度,我們知道風機的耗能跟轉速的1.7次方成正比,所以電機的轉距會急劇下降,節能效果明顯。當然,如果環境要求必須調速,變頻器節能效果還是比較明顯的。不調速的場合變頻器不會省電,只能改善功率因數。其實,變頻器乃至電力電子產業實現的具體效果就是如下幾點:
1)進一步提高電能變換效率,降低待機損耗。
2) 避免電力公害,盡量減少電流諧波,提高功率因數。
3)提高電源裝置和系統的電磁兼容性。
4)降低電噪聲。
5)實現高性能可控性。宣鋼煉鋼廠除塵風機、水系統、給料系統也正是適應了變頻器的這一特性,經過多次理論考證,采用了變頻器,為我國的節能事業做出一定貢獻。
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