變頻調速器的節能節電技術原理及其應用技術

　　什么叫變頻調速技術，它是一種以改變電機頻率和改變電壓來達到電機調速目的的技術。大家都知道，目前，無論哪種機械調速，都是通過電機來實現的。從大范圍來分，電機有直流電機和交流電機。過去的調速，多數用直流電機，由于直流機調速容易實現。但直流機固有的缺點：滑環和碳刷要經常拆換，給人們帶來太大的麻煩。因此有人就想，如果把可靠簡單的籠式交流電機用來調速那該多好！因而就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出現了滑差電機、繞線式電機、同步機、這些都是交流電機。

 

　　到20世紀80年代，由于電力電子技術、微電子技術和信息技術的發展，才出現了對交流機來說zui好的變頻調速技術，它一出現就以其優異的性能逐步取代其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成為電氣傳動的中樞。因而說變頻調速是時代的產物，只有在技術高度發展的今天，才能實現。為什么說它是基于電力電子、微電子、信息技術發展的產物？一是它的逆變部分都基于電流很大、電壓很高的 SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT等電力電子器件來完成的。什么叫逆變：就是直流變交流（DC－AC）那么交流變直流就叫整流（AC－DC）。二是它的控制部分和負載狀態的檢測是由CPU（32位計算機）來完成，這是微電子器件發展的結果。三是內置4－20mA 接口和 RS485 接口可以和儀表、DCS 相接，通過總線Profibus、Interbus 通訊。

 

　　調速節能原理從二個方面來說明：

 

　　1、風機水泵的節電原理就是用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量，這是一個節電的有效途徑。在用檔風板控制額定風量Q1=100%輸出時，則軸功率N1與面積AH1 OQ1成正比，若風量減半Q2 =50%輸出時，則軸功率N2與面積BH2 OQ2成正比，它比N1減少不多，這是因為需要克服檔風板阻力增大風壓所致。如果采用調速控制同樣風量減半輸出時，轉數由n1降至n2，按風機參數比例定律畫出n2時的特性曲線，C點為新的工礦點，這時軸功率N2與面積CH3OQ2成正比，在滿足同樣風量Q2情況下，軸功能降低很多，節省的功率耗損△N與面積BH2H3C成正比，可見節電效果十分顯著。

 

　　2、流體力學的觀點

 

　　流量∝轉速，壓力∝轉速^2，軸功率∝轉速^3，若轉速下降20%，則功率下降到51.2% ；若轉速下降50%，則軸功率下降到12.5% ，即使考慮調速裝置本身的損耗等因素，節電也是相當可觀的。

 

　　為此，許多行業、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機械、電力、建材、醫藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來水等行業都在許多設備中采用交流電機變頻調速技術，產生節電及增產的效果，下面舉幾個例子：

 

　　實例 1、空調類負載

 

　　家庭用空調只有0.5HP、1HP、2HP、3HP等，而工廠和賓館的空調容量要大的多，節電明顯。

 

　　北京麗都假日飯店動力中心是一個集中供冷、供熱的工廠，安裝有 20噸/小時蒸汽鍋爐3臺，300萬大卡溴化鋰制冷機4臺，負責動力廠周圍的麗都假日飯店、燕翔飯店、新萬壽賓館、國際學校、日本學校、德國學校及麗都飯店宿舍、托兒所、公園等涉外飯店、賓館、公寓、學校的供熱、供冷，供熱面積30萬平方米、供冷面積20萬平方米。91年，對水泵制冷機、引風機采用變頻控制，節電明顯，一般在30～60%，年節電17.5萬KW，優于其他調速方式。廣州市鳴泉居度假村在冷熱水、噴泉等設施上采用了變頻調速控制，節電效果非常好。我們深圳市的東華假日酒店的空調也采用了變頻調速，節電顯著、房間溫度適度。

 

　　實例 2、泵類負載

 

　　泵類負載，量大面廣，包括水泵、油泵、化工泵、泥漿泵、沙泵等，有低壓中小容量，也有高壓大容量。

 

　　茂名石化公司煉油廠從1990年開始先后在蒸餾、裂解、加氫、糠醛、酮笨等20多條生產線上使用161臺變頻調速裝置。變頻器總功率達8091KW。1990年10月至1992年2月對其中30臺泵進行測試，在同等工藝下，采用調節閥控制耗電999.9KW，而采用變頻調速電耗為396.7KW，節電603.2KW,節電率60.3%。采用變頻控制時，電機和泵的轉數下降，軸承等機械部件磨損減低，泵端密封系統不易損壞，電機故障率降低，維修工作量大為減少。94年后，該廠又采用了14套6KV大容量變頻裝置，節電40%到70%。1995年11月14日《中國石化報》*版“茂名石化公司煉油節能居同行前面”文章稱“僅通過變頻調速技術一年就節電2000萬千瓦時”。深圳梅林水廠首期設計日供水能力為60萬立方米，八套離心水泵有4套采用了高—低—高型變頻調速裝置，95年節電83萬度。深圳市益力礦泉水公司也在水泵上安置變頻調速裝置，取得了較好的節電效果。

 

　　實例 3、電梯高架游覽車類負載

 

　　由于電梯是載人工具，要求拖動系統可靠，又要頻繁的加減速和正反轉，電梯動態特性和可靠性的提高，便增加了電梯乘坐的安全感、舒適感和效率。過去電梯調速直流居多，近幾年逐漸轉為交流電機變頻調速，無論是日本，還是德國。我國不少電梯廠都爭先恐后的用變頻調速來裝備電梯。如上海三菱、廣州日立、青島富士、天津奧的斯均采用交流變頻調速。不少原來生產的電梯也進行變頻改造。

 

　　許多人坐過深圳世界之窗的單軌高架游覽車，該車行駛中頻繁起動、停車、上坡、下坡，并要求起停平穩，車速恒定。由于是載人車，運行必須安全可靠，常年日曬雨淋，環境惡劣。以往要求調速性能高的傳動裝置，多采用帶測速反饋的矢量控制系統，價格較高。為了降低價格，并維修方便，我們采用了通用型變頻器轉矩矢量控制方式，成功解決了起動 /加速、停車/減速、恒速/變速行駛等，并防止了“下滑”、“沖站”現象的產生，達到了安全可靠，用戶非常滿意。

 

　　案例 4、攪拌機類負載

 

　　化工、醫藥行業攪拌機非常之多，采用變頻調速取代其他調速方式，好處特多。

 

　　東北制藥廠氫化發酵崗位共有 8臺6.5噸發酵罐，電機功率為18.5KW，原為齒輪調速，如遇攪拌速度變化需拆卸三角皮帶，既笨重又不安全。改用變頻調速后，年節電8.6萬KW，發酵過程明顯好轉，提高了產品質量，減少了維修，僅減少三角帶費用就節省3萬元，減少了工人勞動強度，有益于工廠，有益于工人。又如：石家莊華曙制藥廠用10套315KW變頻器拖動攪拌機在制藥工藝中生產土霉素。

 

　　實例 5 、注塑機類負載

 

　　注塑機是塑料加工成型的關鍵設備，數量多，耗電大。過去的節電方式多為通過△型轉換 Y 型（星型）來節電的，效果一般。采用變頻器調速不改變注塑機原來的結構，控制油泵幾個過程的壓力或流量（如鎖模、合模、射膠、保壓、脫模、退模等），可節電20%～52%，較好的取代過去的比例閥節流調速方式，大幅度降低能耗，珠三角的不少注塑廠都進行了變頻改造。改造注塑機時，要注意合模加速，否則產量降低；注意輸入端和輸出端的諧波干擾。

 

　　實例 6 、污水處理等環保類負載

 

　　環境保護越來越被重視，它關系到人類賴以生存的環境，連申奧也有環境指標。于是乎清潔能源、綠色城市均出現了。變頻調速可用在三個方面的環保類負載。一是工業污水處理，二是垃圾電廠，三是工業排煙、排氣、除塵的控制。如廣州煉油廠，改用曝氣機污水處理的攪拌設備，采用籠式電機變頻調速后，提高產品可靠性，節電40%以上，同時提高了活性污泥微生物群的壽命，提高了污水處理的效果。再如佛山垃圾電廠在工藝中選用52臺變頻器。可見變頻調速已成為環境保護的主要設備。中國石化總公司制定一個熄滅火炬（主要指大煉油廠的可燒氣體）計劃，即是把可燃氣體輸送到用變頻調速的壓縮機柜回收。

 

　　實例7、音樂噴泉類負載

 

　　非常招攬游人的音樂噴泉，其水的高低和量的大小是靠變頻控制的。亞洲噴水zui高的廣東河源市音樂噴泉和規模很大的山東濟南泉城廣場音樂噴泉均屬于此，即節電又效果頗佳，在施工音樂噴泉時，要注意變頻器諧波對控制系統的干擾。

 

　　實例 8、卷煙機類負載

 

　　卷煙行業過去進口的卷煙機，不論莫林8、還是莫林10，均非無級調速。因而，在卷煙行業主要是解決無級調速和可靠性問題，技術簡單，變頻器用法簡單，收效極大。

 

　　昭通卷煙廠十九臺進口的格蘭特4卷接包裝聯合機組采用變頻調速后，日增產香煙200 箱，200箱香煙的利稅相當19臺變頻器的價格，即一天收回投資。因而，卷煙機改造迅速，受益很大?，F在國產的煙機大部分都裝備了變頻調速功能。

 

　　實例 9 、大型窯爐煅燒類負載

 

　　冶金、建材、燒堿等大型工業轉窯（轉爐）以前大部分采用直流、整流子電機、滑差電機、串極調速。由于這些調速方式或有滑環、或效率低，近年來，不少單位采用交流變頻控制，效果很好。

 

　　株州冶煉廠鋅浸出渣揮發回轉窯是回收鋅的主體設備，共有三臺。窯外徑2.8米，長44 米，原用正流子電機和滑差電機拖動，故障多，經常跳閘，維修量極大。由于現場環境惡劣，導電塵埃多，電機火花不斷。刷握、碳刷更換不斷，90年小修56 次，更換碳刷1670只，刷握647只，嚴重的影響了生產。91年6月該廠完成了回轉窯的變頻調速改造。運行平穩、可靠、操作簡單，沒有發生因電機拖動故障而影響生產。年節電12萬度，超產117.82萬元。唐山堿廠輕灰煅燒爐是純堿生產關鍵設備，直徑3.6米，爐身長30米，總重266 噸，采用 220KW變頻器拖動，低頻啟動好，旋轉穩定，可靠性高，提高了產品質量，使該煅燒爐的生產進入全國先進行列。

 

　　實例 10 、吊車、翻斗車類負載

 

　　吊車、翻斗車等負載轉矩大且要平穩，正反頻繁且要可靠。變頻裝置控制吊車、翻斗車滿足這些要求。

 

　　獨子山石化廠酮苯車間為三臺過濾器的安裝而設置一臺20噸橋式起重機，工藝要求防爆，采用防爆籠型電機。原生產的吊車主鉤、輔鉤、大車、小車無調速功能，不能定位。力矩小，吊起物體下滑，無法吊裝19噸重的過濾器機座，使該車間晚開工一年多，損失千萬元。91年7月采用變頻調速加制動功能，使主鉤、輔鉤、大車、小車五臺電機由一臺變頻器控制，效果很好。過載試驗吊起22噸，很快把3臺各重40噸的過濾機安裝在10米高二層平臺的機位上。

 

　　碼頭港機、車站龍門吊、貨場堆取料機等都可以采用變頻調速裝置，以達到可靠、平穩、節電、少維修的目的。

 

　　變頻調速裝置，除節電顯著外，還是某些生產工藝中必需的設備。

 

　　實例 11 、轉爐類負載

 

　　轉爐類負載，用交流變頻代替直流機組簡單可靠，運行穩定。

 

　　1994年5月1日，承德鋼鐵公司煉鋼廠三套20噸轉爐直流拖動系統全部處于故障狀態。擬尋找一個“又快又好”的恢復生產的調速方式，請來了我國電氣轉動專家劉宗富教授。在劉教授的建議下，由該公司定案，20噸轉爐傾動和氧槍升降采用交流變頻調速拖動。從供貨到安裝、調試、經過13 天，三臺轉爐全部正常投入生產。這是我國20噸轉爐傾動和氧槍升降*次采用變頻調速。經過多年的生產應用，該系統運行穩定可靠，技術指標完全滿足工藝要求。轉爐、氧槍主傳動系統引起的熱停工減少90%以上，年增產1.5萬噸鋼，節電22萬度，直接經濟效益231萬元。為鋼廠以后穩定的生產打下堅實的基穿該系統1995年通過機械工業部鑒定，并被河北省評為技術進步一等獎。

 

　　實例 12 、特種電源類負載

 

　　許多電源，如實驗電源，飛機拖動電源（400HZ）都可用變頻裝置來完成，好處是投資少、見效快、體積些操作簡單。

 

　　粘膠纖維行業紡絲設備多數是高速電機，眾多的紡綻電機為150HZ/160V 。長期以來，國內粘膠行業一直使用電動——發電機組中頻電源供電，稱動變頻。由于這種方法弊病太多，而逐步采用交流變頻電源供電，稱靜變頻。邵陽化纖廠是我國粘膠行業zui早自行應用靜變頻的廠家，八臺160KW 變頻器分二組供電（每組一臺備用）。自1992 年12月生產以來，比動變頻有明顯的優勢。

 

　　A.可靠。運行多年，未發生故障跳閘。

 

　　B.運行穩定，電壓、頻率波動極些

 

　　C 調頻方便，為工廠生產不同捻度的絲餅創造了條件。

 

　　D.噪音小，改善了操作人員的環境。

 

　　E.提高了產品質量。該廠一期工程（采用動變頻供電），粘膠長絲合格率僅55.1% ，一等品合格率為零，二等品合格率為20%，而二期工程（采用靜變頻供電）平均合格率98.12%，一等品合格率88.7%。

 

　　F.增加了產量。一期工程設計能力2000 噸/年，試生產半年，產量僅65.53噸，而二期工程設計能力1000噸/年，試生產半年，生產長絲685.25噸，大大超過設計能力。

 

　　G.節電13%。

 

　　由于靜變頻為粘膠行業帶來極大的好處，不少企業，如吉林化纖廠、九江化纖廠、宜賓化纖廠、湖北化纖廠、丹東化纖廠、濰坊化纖廠（除宜賓外，均屬上市公司）等均采用了靜變頻技術。

 

　　變頻調速除節電外，還有增產、降耗、優質的效果。由于它具有體積些重量輕、精度高、通用性強、工藝先進、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便等優點，深受使用人員歡迎，變頻調速確是節能、降耗、優質、高產的理想設備，是邁入21世紀的首要的傳動技術，利國利民。