變頻調速與風機、水泵節能

　　1 調節風機、水泵流量的方法

　　調節安川變頻器風機、水泵流量的方法多種多樣，每種方法各具優點，有三種是經常用到的：(1)交流電動機變頻調速；(2)在對水泵、風機的轉速進行調節時，采用電磁轉差離合器的方式，但是電動機在這種情況下的運轉是恆速的；(3)在調節風機擋板時，如果采用傳統的機械方法，則可使實現對水泵、導流器的閥門開啟度的調節。在節電率百分比相同的情況下，裝機容量和電節能會變成最大值，因此，在生產過程中，應廣泛應用高壓變頻調速節能技術，而把變頻調速應用到大容量壓縮機、水泵和風機上，以達到節能的目的。

　　2 變頻調速在風機、水泵節能中的應用

　　將流體理論作為基本的出發點，可以用三次方函數來表示離心式風機、水泵的軸功率和轉速的關系。在研究中表明，滑差後液力調速的效率會隨著調速方案效率的變化而降低，當轉速下降為50%時，變頻調速器會呈現出較高的效率，這樣一來，就會發現一切基本沒有發生任何變化。所以變頻調速是所有調速方案中節能效果最好的。用一個實際例子來說明，同一台水泵、風機的轉速流量和軸功率都為100%時，將轉速流量調到50%，軸功率也會降到50%。但如果滑差調到50%，則只需從電網中吸入25%左右的功率；假如通過變頻的方式，將流量降到50%，則只需從電網中吸入10%左右的功率。因此，我們不難發現，變頻調速具有無可比擬的優勢。

　　變頻調速與環境保護

　　在企業電能總消耗中，電機驅動耗能占很大比例。我們有理由相信，天然氣、燃煤、石油等燃料的枯竭，很大程度上要歸咎於過度的電力消耗。二氧化氮和二氧化碳的過量排放，會造成嚴重的空氣污染，會對大氣臭氧層造成無法修補的嚴重破壞，對人類的生活造成極為不利的影響。當前，環境問題日益嚴重，已經影響到了人們的日常生活，但隨著人們環保意識的不斷提高，越來越多的人開始關注環境問題，並積極投身到環境保護中來。因此，在企業的生產過程中，企業理應廣泛采用變頻調速節能技術，這樣不僅有效地節約了能源，還減少了污染的排放，起到了保護環境的作用。

　　泵類、風機等設備的節能運行通過變頻調速技術來實現，受到國家和政府的普遍重視。通過實踐表明，在泵類和風機設備驅動控制中運用變頻器能夠收到明顯的節能效果，是一種可廣泛采用的調速控制方式。變頻調速技術有許多優點，不僅能夠提高設備的運轉效率，而且能夠最大限度滿足企業對於高效率生產的需求。同時，它還可以切實減少設備的養護和維修費用，有效延長其壽命，可謂一舉多得。在國內外，變頻調速技術已經並將持續受到人們的關注，在我國的經濟建設中，其也必會發揮重要作用。

風機、泵類變頻節能的工作原理分析

　　在企業的生產過程中，對泵類和風可程式控制器機東元變頻器設備的應用非常廣泛，而這類設備的電能消耗非常大，其耗能占企業總耗能比重很大。當前，我變頻器國正深化市場經濟體制改革，市場競爭已可以用“慘烈”這個詞來形容，因此，企業為了增強自身的競爭力，必須優化生產技術和工藝，降低生產過程中的能耗，降低生產成本伺服馬達，提高產品的價格競爭力。

　　在實現電機控制中經常會用到的設備是變頻器，該設備實現對電機控制的方式是改變電源輸出的頻率。在企業生產過程中，必須追求對電機的更好控制，而實現對整個電機的更好控制，就必須使用變頻器，

　　風機、泵類變頻要實現節能，有兩種途徑：一種是軟啟動節能，一種是變頻節能。筆者下面具體介紹這兩種節能方式的節能原理：

　　1 關於軟啟動節能

　　由於電機為Y/D啟動或者是直接啟動，額定電流的4～7倍就是啟動電流，這樣就會對供電電網和機電設備產生巨大的衝擊，如果對供電容量要求很高，在啟動時就會產生很大的損害性，比如閥門和擋板遭到電流和震動的損害，從而縮短設備的使用壽命等。安裝變頻節能裝置以後，變頻器的軟啟動功能能夠將開始時的啟動電流自動調節為安川變頻器0，這樣就不用擔心產生的電流會超過額定電流，在一定程度上減輕了對電網產生的衝擊，起到了延長閥門和設備使用壽命的作用，從而可以節省變頻器維護的相關費用。

　　2 關於變頻節能

　　流體力學上有一個公式，即P=H×Q，專業人士都知道，P、H和Q三者之間是存在一定的關系的，且都是正比例關系，只是大小有所不同。如果水泵的效率是一個固定安川伺服馬達值，那麼，當降低調節流量時，轉速N也會跟著下降，而輸出功率P也會跟著下降，且是立方關系的下降。這也就是說，水泵的轉速與水泵電機的耗電率是立方關系。

變頻調速原理

　　(一)異步電機變頻調速原理。

　　交流調速伺服馬達是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產生感應電動勢，出現感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩。使電動機轉起來。電機磁場轉速稱為同步轉速，用n0表示：

　　式中：f為三相交流電源頻率，一般是50Hz；

　　為磁極對數。當p=1時，n0=3000r/min；p=2時，n0=1500r/min。

　　由上式可知磁極對數p越多，東元變頻器轉速n0就越慢，轉子的實際轉速n比磁場的同步轉速n0要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率表示：

　　在加上電源轉子尚未轉動瞬間，n=0，這時s=1；啟動後的極端情況n=n0，則s=0，即在0～1之間變化，一般異步電動機在額定負載下的 s=1%～6%。對於成品電機，其極對數已經確定，轉差率的變化不大，則電機的轉速與電源頻率成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調速的目的。

　　(二)電動機變頻調速方案

　　從經濟角度來講，煤礦的大容量風機、泵類負載采用高壓變頻調速合理性很強，可以在節能過程中逐漸收回成本。大功率的異步電動機，現有的變頻器系統有兩種調速方式：變頻器“高――高”，“高――低――高”。

　　1。高――低――高變頻調速系統

　　采用兩級變壓的方式。先降壓，經過降壓變頻器，再升壓，該模式對電力電子器件的要求降低。

　　2。高――高變頻調速系統

　　采用多個功率單元模塊串聯，直接高壓變頻轉換。這種方式節省了升壓、降壓變的投資及帶來的損耗，提高了效率。采用高壓變頻器的大容量電動機系統一般都采用高――高模式。該調速系統由於采用了橋式整流電路，在整個調速系統中功率因數較高，不需要裝設功率因數補償裝置，又因為高――高變頻調速系統采用多重化脈衝可程式控制器控制，通過模塊輸出串聯疊加消除高次諧波的影響。

　　高――高變頻調速系統改善了系統的動態特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內控制和調節，因此調節速度快，調節過程中頻率和電壓配合好，動態性能好。此外，高-高變頻調速系統有很好的對負載供電波形安川變頻器。變頻器的逆變器輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而降低了由於矩形波供電引起的轉矩降低問題，從而改善了電動機的運行特性。

　　綜上所述，高――高調速系統比高――低――高調速有著明顯的優勢，由於高――高調速系統是針對高――低――高調速系統缺陷研制的新一代安川伺服馬達調速系統，所以該調速系統是以後的發展趨勢。

淺談電機變頻調速技術

　　為了降低礦井的生產成本，提高電機系統效變頻器率，目前越來越多的煤礦在進行中、高壓電動機變頻調速的技術改造。采用這種先進的電機變頻調速技術，改善風機、泵類系統電機的調節方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式，重點對大中型變工礦電機系統進行調速改造，合理匹配電機系統，減少資源浪費。

　　(一)變頻調速技術簡介。

　　變頻調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調速目的的技術。電機有直流電機和交流電機。直流機調速容易實現，性能好，因此過去生產機械的調速多用直流電動機。但直流電機由於采用直流電源，它的滑環和碳刷要經常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來太大的麻煩。因此人們希望讓簡單可靠廉的交流電機也像直流電動機那樣調速。這樣就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速等交流調速方式。

　　(二)國內研究現狀。

　　我國是一個能源東元變頻器生產大國，但我國同時也是一個能源匱乏國，隨著能源危機的加重，各行各業都應該實現節能減排。工礦企業作為能耗企業，如果實現節能減排則顯得尤為重要。異步電動機作為這些企業的主要動力設備，所以實現異步電動機的節能就是實現企業的節能。變頻器作為一種新型節能減排技術則得到了廣泛的應用。

　　交流電動機調速

　　(一)交流變頻調速技術的發展。

　　交流電動機的調速系統是一項以大功率電力電子器件為基礎的新型技術學科在過去的十幾年間由於大功率電力電子器件的不斷出現，使交流電動機的調速技術取得了很大的發展。

　　1。交流電機

　　交流電機是用於實現機械能和交流電能相互轉換的機械。由於交流電力系統的巨大發展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由於沒有換向器，因此結構簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋範圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。

　　2。直流電機

　　直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的伺服馬達樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

　　(二)交流調速的方式。

　　異步電機得調速方法可以有改變轉差率，改變磁極對數及變頻三種。其中改變轉差率的方法又可以通過調定子電壓，轉子電阻轉差電壓以及定、轉子供電頻率等方法來實現。

　　1。串極調速

　　它是將繞線式異步電動機可程式控制器的轉差功率回饋到電網的一種比較安川變頻器經濟的調速方法，可以又低同步及高同步兩種串調方式。

　　2。矢量變換控制調速

　　它是模擬直流電及得控制特點來進行交流機的控制。

　　3。變頻調速

　　它是一種最有發展前途得安川伺服馬達一種調速方式，其調速花樣繁多。

變頻調速技術的應用及未來發展趨勢

　　變頻調速由於其優良的調速性能，在許多行業得到了廣泛東元變頻器應用：①工礦企業行車設備變頻調速系統；②發電鍋爐的風機和水泵；③自來水廠、污水處理廠變變頻器頻節電系統；④水泥生產線變頻節電系統；⑤風機、泵高低變頻節電系統；⑥大量的輸送各種工業原料和物資的運輸系統。在實際應用中，由於交流調速技術特別是交-直-交變頻調速不僅具有優良的調速性能，而且還帶來節約能源、減少維護費用、節約占地面積等優點，可程式控制器尤其具有適合在大容量或惡劣工作環境。還有變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高伺服馬達效率、高功率因數，廣泛的適用範圍而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。下面我們分應用情況來舉例說明。

　　斜井絞車電控系統原來采用的是TKD型轉子串電阻調速方式，此調速方式是靠消耗轉差功率的辦法進行調速，耗能嚴重、效率低、調速特性軟，速度穩定性差，再者，TKD型控制系統也是國家要求強制淘汰的。改造用變頻調速系統是在原提升機的電控系統的基礎上，用變頻調速系統替代原調速系統，同時保留原調速系統，使兩套系統互為備用，以增加系統運行的可靠性。本項目投資總額139萬元，其中各種設備花費的金額如下：高壓電源切換櫃9萬元；變壓器櫃15萬元；聯絡櫃8萬元；變頻櫃(3台)69萬元；通訊控制櫃4。5萬元；換向智能站4。5萬元；BPDKPLC變頻電控(主控台)一套(含後備保護)29萬元。

　　通過對副斜井提升機進行變頻調速改造，實現了動機的軟啟動、軟停止，轉速連續可調，避免電流衝擊，不僅可以提高工藝的高效性，減少機械衝擊，延長機械壽命，節省維護成本，同時和原來的控制系統相比，改造後節電率約為30%，節約能源的效果非常明顯，具有很好的經濟和社會效益。

　　變頻調速技術未來發展趨勢

　　(1)實現高水平的控制。基於電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償等；基於現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基於智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經元網絡、專家系統和各種各樣的自優化、自診斷技術等。

　　(2)模擬與計算機輔助設計(CAD)技術。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設計和測試提供了強有力的支持。

　　(3)縮小裝置的尺寸。緊湊型變頻器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變(如水冷、蒸發冷卻和熱管)對縮小裝置的尺寸也很有效。

　　(4)高速度的數字控制。以32位高速微處理器為基安川變頻器礎的數字控制模板有足夠的能力實現各種控制算法，Windows操作系統的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術也有很大的發展。

　　變頻調速技術是一項節電效果很顯著的節電安川伺服馬達技術，特別適應變流量或壓力的地點使用，也是當今國家重點推廣和普遍推廣的一項技術。變頻技術在大大小小的場合下都可以使用，只是需要考慮當前的投資效益與規模。