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從原理談變頻調速在供水裝置上的運用

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從原理談變頻調速在供水裝置上的運用

0.引言

根據統計,泵和風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。在工業生產中,泵和風機的交流感應電動機是主要的電力負荷,為了滿足工藝生產的各種要求,許多交流電動機的生產設備需要調速運行。近十幾年來,隨著電力、電子技術的發展,交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟,并且變頻調速以效率高、調速范圍大、調速效率高、無級調速等優點,在各種交直流調速系統中,尤其是在節能技術改造中,變頻技術的應用越來越廣泛。在設計或者實際應用過程中,經常遇到使用變頻調速器是否能達到節能要求,能否滿足工藝生產要求等問題。本文通過分析變頻調速技術節能與負載特性的關系,以供水系統為例,敘述節能與工藝的關系,同時給出了一些計算公式和數值。

1.電機節能原理

1.1電機變頻調速原理

所謂變頻調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。常見的變頻技術有交一交變頻技術(直接變頻)和交一直一交變頻技術(間接變頻)。

1.1.1交一交變頻技術交一交變頻技術是把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。此技術最高輸出頻率只能是電網頻率的1/3以下,所以在變頻領域逐漸被淘汰。

1.1.2交一直一交變頻技術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、濾波環節和逆變器三部分組成。根據中間濾波環節的不同,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,直流電經過平滑濾波后,在微處理器的調控下,用逆變器將直流電再逆變為可調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制波與參考正弦波相比較,產生正弦脈寬SPWM信號,以控制功率器件的開關,得到按正弦規律變化的脈沖序列,實現同時變頻變壓。變頻調速是指電動機改變頻率后,仍在該頻率的同步轉速附近運行,不增加轉速損失的調速方式。所以變頻調速是一種高效的調速方式。變頻器的調速范圍可達1%-100%,并在整個調速范圍內具有較高的調速效率。根據電機學的原理可知:異步電動機的轉速與頻率有以下關系:n=60f(1-S)/P,式中,f為電源頻率;為電動機轉差率;P為電動機極對數。當P和S確定后,電動機轉速與電源頻率成正比,所以改變電源頻率即可改變轉速n,從而實現變頻調速。因此變頻調速方式非常適合于調速范圍寬,負荷經常變化的運行設備。選擇最佳運轉速度,可實現低速啟動、平滑調速,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,交流工頻電流先經過整流系統變成直流電后,再用正弦波脈寬調制技術逆變為頻率、幅度都能可調的三相交流電,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。變頻器的保護系統保證可靠的工作,保護電動機運行系統的安全,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、頻率和出軸轉速的變化等。

1.2變頻節能原理

風機、水泵類屬于平方轉矩負荷,即轉矩M與轉速N的平方成正比,電動機軸上的輸出功率P與轉速N的三次方成正比。因此電動機轉速稍微下降時,電動機輸出功率就會大幅度下降,耗電量也隨之大為減少。當轉速下降1/2時,流量下降1/2,壓力下降1/4,功率下降為1/8,即功率與轉速成3次方的關系下降。在生產中,電機安裝變頻調速器后,降低泵的轉速,泵的揚程也相應降低,電機的電耗也相應降低,使原來消耗在泵出口閥上的功率也得到了解決。由于采用恒轉矩特性,變頻降速后的電機轉矩不變,拖動力矩恒定,可以保證流量,從而實現了節約電能的作用。

2.變頻調速在恒壓供水裝置上的應用

2.1變頻調速在恒壓供水裝置上的節能實例目前,恒壓供水用于許多供水系統上,我們以某180kA大型鋁電解企業的鑄造生產循環水供水系統為例。該廠鑄造車間應用2臺55kW冷卻水泵,2臺30kW熱水泵,形成循環供水。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,調速30-50Hz,隨機分布來計算,結果可以節約電量: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元計算每年可以節約[111085(度)+270211(度)]×0.25=95324元。水泵使用變頻調速后,省電效果非常明顯。

2.2速在恒壓供水裝置上的其它優點除了節約能量外,采用變頻調速這種恒壓供水還有如下好處:穩定水壓,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工作。此外每次生產需要開動的鑄造機組數量不同,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,如果人為調節閥門,不但工藝落后,而且容易出現人為的誤調、漏調,造成能源設備的浪費,如果采用變頻調速則根據管路水流量或壓力大小自動調節電機轉速,保持一個設定值,達到了改善供水工藝條件的目的。

3.結語

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

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