變頻器是電力電子科學(xué)的具體體現(xiàn),是利用電力電子半導(dǎo)體器件的通斷作用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用在電動(dòng)機(jī)中的工作原理及節(jié)能原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。
前言
知道變頻調(diào)速的人已經(jīng)相當(dāng)?shù)钠毡榱?但是大多數(shù)人一提起變頻調(diào)速,總是能和節(jié)能掛起鉤來(lái)。近年來(lái),盡管我國(guó)在能源開發(fā)方面進(jìn)展迅速,但還是跟不上需求的增長(zhǎng),節(jié)能問(wèn)題始終處于相當(dāng)突出的位置。宣鋼煉鋼廠經(jīng)過(guò)多次理論考證,以及在五六號(hào)轉(zhuǎn)爐的應(yīng)用，在150T轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)、水泵、振動(dòng)給料采用了大量變頻器,為我國(guó)的節(jié)能事業(yè)做出一定貢獻(xiàn)。
1 變頻器的工作原理
變頻器主要由模塊，CPU控制板，電源驅(qū)動(dòng)板組成，見圖。
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我們知道,交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位:n=60f(1-s)/p(1)式中n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;f為異步電動(dòng)機(jī)的頻率;s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率;p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。由式(1)可知,轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段,若什么時(shí)候都認(rèn)為電動(dòng)機(jī)只要用了變頻器就可以節(jié)能,那就有些太牽強(qiáng)了。變頻器是電力電子科學(xué)的具體體現(xiàn),是利用電力電子半導(dǎo)體器件的通斷作用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)電子化,可直觀地進(jìn)行控制和顯示。由于變頻器的這個(gè)優(yōu)越性,使得其適用領(lǐng)域越來(lái)越寬廣,所采用技術(shù)也不斷拓寬,同時(shí)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(fā)熱做斗爭(zhēng)。由于新一代的IGBT采用了漏極-控制極新技術(shù),是集電極-射極簡(jiǎn)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(fā)熱消除損耗的效果。
380V小容量通用變頻器目前應(yīng)用較為廣泛,但用電量比較大,節(jié)能效果***為顯著的還是高壓大容量變頻器。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,使用范圍基本上覆蓋了我國(guó)各主要行業(yè),如:電力、冶金、石油、化工、造紙等。產(chǎn)品電壓等級(jí)包括3kV、6kV和 10kV以及油田專用潛油電泵使用的1,600V-2,400V產(chǎn)品,基本可拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等各類負(fù)載。高壓電動(dòng)機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,既可滿足生產(chǎn)工藝過(guò)程對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的要求,又可大幅度的節(jié)約能源,降低生產(chǎn)成本。隨著以GTO、IGBT、IGCT等為代表的自關(guān)斷器件的發(fā)展, 人們對(duì)各種適合高壓變頻的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究得到進(jìn)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(diào)速技術(shù)應(yīng)用研究也打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高壓變頻器作為一個(gè)節(jié)約資源型的產(chǎn)品,隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,產(chǎn)品的不斷改進(jìn),概念的深入,市場(chǎng)的拓展,將會(huì)顯示出巨大的技術(shù)發(fā)展前景和市場(chǎng)需求量.相應(yīng)地,對(duì)變頻器的節(jié)能要求也相應(yīng)地提高了。
2 變頻器的節(jié)能原理
2.1 變頻節(jié)能
變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。宣鋼煉鋼廠有大量的風(fēng)機(jī)類水泵類負(fù)載,這類負(fù)載由流體力學(xué)可知,p(功率)=Q(流量)×H(壓力),流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比,壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比,功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí),轉(zhuǎn)速N可成比例的下降,而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。所以當(dāng)所要求的流量Q減少時(shí),可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n按比例降低,轉(zhuǎn)速控制方式在低速小流量時(shí),仍可使泵機(jī)高效率運(yùn)行。這時(shí),電動(dòng)機(jī)的功率p將按三次方關(guān)系大幅度地降低,比調(diào)節(jié)擋板、閥門節(jié)能 40%～50%,從而達(dá)到節(jié)電的目的。為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí),都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)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(guò)程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí),如果流量要求減小,通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。例如: 一臺(tái)離心泵電機(jī)功率為55千瓦,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí),其耗電量為28.16千瓦,省電48.8%,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的l/2時(shí),其耗電量為 6.875千瓦,省電87.5%。
2.2 功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能
無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱,更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低,大量的無(wú)功電能消耗線路當(dāng)中,設(shè)備使用效率低下,浪費(fèi)嚴(yán)重,使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用,從而減少了無(wú)功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。
2.3 軟啟動(dòng)節(jié)能
電機(jī)硬啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高,啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大,對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始,***大值也不超過(guò)額定電流,減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求,延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
3 結(jié)論
變頻調(diào)速之所以節(jié)能,主要在于把全速運(yùn)行中浪費(fèi)的電能節(jié)約了下來(lái)。尤其是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),如恒壓供水系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)了按需拖動(dòng),幾乎完全消除了拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的浪費(fèi)。這是從大的方面實(shí)現(xiàn)了節(jié)能,但并不等于節(jié)能潛力已經(jīng)挖掘干凈了。事實(shí)上,在許多場(chǎng)合,還存在著大馬拉小車的現(xiàn)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(shí),在某些情況下可以節(jié)電40%以上,但是某些情況還會(huì)比不接變頻器浪費(fèi)!變頻器是通過(guò)輕負(fù)載降壓實(shí)現(xiàn)節(jié)能的, 拖動(dòng)轉(zhuǎn)距負(fù)載由于轉(zhuǎn)速?zèng)]有多大變化,即便是降低電壓,也不會(huì)很多,所以節(jié)能很微弱,但是用在風(fēng)機(jī)環(huán)境就不同了,當(dāng)需要較小的風(fēng)量時(shí)刻,電機(jī)會(huì)降低速度,我們知道風(fēng)機(jī)的耗能跟轉(zhuǎn)速的1.7次方成正比,所以電機(jī)的轉(zhuǎn)距會(huì)急劇下降,節(jié)能效果明顯。當(dāng)然,如果環(huán)境要求必須調(diào)速,變頻器節(jié)能效果還是比較明顯的。不調(diào)速的場(chǎng)合變頻器不會(huì)省電,只能改善功率因數(shù)。其實(shí),變頻器乃至電力電子產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)的具體效果就是如下幾點(diǎn):
1)進(jìn)一步提高電能變換效率,降低待機(jī)損耗。
2) 避免電力公害,盡量減少電流諧波,提高功率因數(shù)。
3)提高電源裝置和系統(tǒng)的電磁兼容性。
4)降低電噪聲。
5)實(shí)現(xiàn)高性能可控性。宣鋼煉鋼廠除塵風(fēng)機(jī)、水系統(tǒng)、給料系統(tǒng)也正是適應(yīng)了變頻器的這一特性,經(jīng)過(guò)多次理論考證,采用了變頻器,為我國(guó)的節(jié)能事業(yè)做出一定貢獻(xiàn)。
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