变频调速技术与节能应用
摘要：针对当前能源紧张介绍了变频调速技术与其它调速技术的区别，对采用变频调速技术所解决的节能问题做了具体阐述，并对变频调速技术在各行业的节能应用做了介绍。
关键词：变频调速 比较 节能
Abstract: This paper recommend frequency conversion speed adjustment technology and other transfer speed difference of technology, to adopt frequency conversion transfer speed energy saving problem technology solve make concrete to explain, and adjust the energy saving in every profession and trade of speed technology to use and describe to frequency conversion.
Keyword: Variable Frequency Adjusting Speed, compare, energy saving.
1前言
据统计，目前我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量约占全国用电量的60%，但我国电机驱动系统的能源利用率却非常低。我国迫切需要提高能源利用效率，对于工厂企业来说，大部分电力都消耗在一些大功率设备如风机，水泵等上，国家相关部门提出了几大应对措施，其中重要一条是采取合理的用电措施，积极采用节电新技术，如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。这样既可以获得长远的经济效益，更有广泛的社会效益。
2 变频调速技术
2.1 变频技术概述
变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性、系统的安全可靠性和延长设备使用寿命等优点而成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。变频调速技术涉及到电机、电力电子技术、微电子技术、信息与控制等多个学科领域，变频调速理论已经形成较为完善科学体系，成为一门相对独立的学科。而相对于大多数人来说，变频调技术是一项陌生而新奇的技术，变频器是一种高科技产品，是一种将交流电转化为可变频变压运行的电能转换装置，有工业维生素之称。变频调速装置通常由整流器、平波电抗器或滤波电容器、逆变器及控制电路组成。在中间直流电路中串接平波电抗器作储能元件的称为电流型变频器。中间直流回路并接滤波电容器作储能元件的称为电压型变频器。整流器将输入的工频交流电变换为直流电，经中间直流环节输入至逆变器，逆变器将直流电流变换为可调电压、可调频率的交流电输入到电动机。打个比方，变频器就好比一个人的心脏，人在运动的时候，心脏将剧烈跳动，心率增加，供应大量的血液给身体各器官；人在休息的时候，心脏将变缓，从而节约能耗。电动机同样也象一部操作中的机器心脏，其运转速度也需要根据其负荷大小来调整运转频率，而变频器则是为其正常运转加上一个自动调节装置。变频器自1964年问世以来，经历40多年的发展，在欧美发达国家广泛使用，目前在中国的空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间。
2.2 变频调速与其它调速装置的性能比较
变频调速在调频范围，静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的变极调速、调压调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，代表今后电气传动的发展方向。现将各种调速装置的性能比较如下:
(1) 变极调速的原理: 变极调速适用于不要求平滑、连续和频繁调速的鼠笼型异步电动机场合。变极调速通过改变异步电动机定子绕组的极对数p，使电动机同步转速n0改变(n0=60f/p,f为电网周波)，达到调速的目的。其优点是:转差率小，转差损耗少,使用维护简单方便。缺点是: 有级调速，不能平滑调速，而且级差较大。
(2) 串级调速的原理:它通过在绕线式异步电动机的转子电路中串入一个与转子电势频率相同、相位相反的附加电势。通过改变转差率来调节绕线式异步电动机转速的一种调节方式，串级调速装置可将转差功率转化为机械能加到负载。其优点是:串级调速的效率较高，节能效果较好;调速装置的容量与调速范围成正比，范围小时装置容量也小，成本较低。缺点:可控硅串级调速功率因数低，产生高次谐波，对电网有污染;内反馈串级调速需采用特制的内反馈绕线式电机，需对绕线式异步电动机进行改造。串级调速适用于调速范围不大 (70%～95%)的绕线式异步电动机的场合。
(3) 定子调压调速的原理: 它通过改变加在异步电动机定子端的电压，使电动机的机械特性发生变化，电动机的转差率发生变化，其转速也将改变。优点是:线路简单，运行比较可靠;调压装置体积小;使用维护较简单;便于自动控制及远程操作。缺点是:低速时转差功率损耗大，效率低;调速特性软;产生高次谐波，对电网有污染，对电机有影响。适用于大容量绕线式异步电动机的场合。
(4) 液力耦合器的调速原理: 液力耦合器适用于大功率、高转速的鼠笼式转子异步电动机的场合。液力耦合器是通过油在泵轮（电动机侧）和涡轮（负载侧）中的循环流动，泵轮将输入的机械能转化为油的动能和势能，而涡轮则将油的动能和势能转换为输出的机械能实现功率的传递，通过勺管调节油的循环量来调节涡轮的转速。液力耦合器安装在电动机与负载之间。可在电动机转速恒定的情况下，无级调节风机的转速。优点是:功率适应范围大，可以满足从几十至几千乃至上万千瓦的不同功率的需要;结构较简单，改造投资不算太大;可空载起动，不产生高次谐波，对电网无影响;调速范围为20%～97%，可以隔离电动机和泵的振动，缓和冲击。缺点是:有滑差损失，属低效调速装置;滑差功率损耗变为油的热量使油温升高，需要冷却设备;低速、小功率的液力耦合器造价较高;且效率低，效率与转差成反比;液力耦合器达不到电机额定转速; 调速精度差，稳定性差。
2.3 风机水泵类负载变频调速节能原理
变频调速是风机水泵节能的最佳方案。根据流体理论，离心式风机水泵的轴功率是转速的三次方函数关系。据流体机械的公式有：
Q2 = Q1（n2/n1） （1）
H2 = H1（n2/n1）2 （2）
P2 = P1（n2/n1）3 （3）
即流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比，由此我们可以计算出表1所示的结果。
当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量下降为80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降为51%；当所需风量为而额定风量的50%时，而轴功率降为13%。
表1为速度降低后的理论节能效果。
注：N1和N2为转速，P1和P2为轴功率。
3 变频调速技术的节能应用
随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，在许多领域变频调速应用越来越广泛。这里只列举主要的几方面应用。
3.1变频器在冶金工业的节能改造
冶金企业是我国的能耗大户。因此在轧机辊道、转炉、圆盘给料机、振动给料机、风机、水泵、连铸拉矫机、结晶器振动；精炼炉、电渣；转炉倾动、氧枪升降、抽烟机；高炉卷扬、送风机、除尘风机；加热炉鼓风机、化氨水泵；烧结引风机、熔炼铅锌冷却泵；制氧机、冷却泵、清水泵、降温排风机、…等广泛应用。冶金企业使用的风机泵类非常多，仅就轧钢均热炉为例，其基本的生产过程可分为四个部分：装入、加热、保温、出钢。加热升温期一般将热负荷给定最大，这时热风以最大量供给炉膛；保温期间，风量减少约为加热期的60%；出钢期间风量约为加热期的30%；装入钢坯期间风量为零。根据均热炉这一工况，可见对其风机实施变频改造，可以大幅度的节约电能。可使装钢后预热器保证足够的温度，从而还节约了1%～7%煤气燃料，减少了氧化烧损，改善了钢锭均热质量。
武钢轧板厂选用变频器改造3号横剪前、后辊道。其中前辊道使用的是3kVA变频器，后辊道使用的是30kVA变频器，根据现场实际情况，系统属于重载频繁起、制动，增加制动单元和制动电阻。剪切时采用低频，可一次停车准确到位，提高了剪切精度，降低了能耗。而在传送钢板时，采用高速，不影响生产效率。由于变频调速可以使电机在设置好的V/F曲线上平滑调速和起动、制动，从而降低了对系统的冲击，提高了设备的作业率，取得了令人满意的效果。
3.2变频器在石化行业的节能改造 主要应用于注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加压泵、输油泵、抽油机、深井油泵、供热锅炉鼓风机、引风机、…
3.3变频器在电力、热力行业的节能改造 主要应用于锅炉鼓风机、引风机、补水泵、循环泵、疏水泵、灰浆泵、送风机、输煤、排渣系统、锅炉给粉系统、炉排调速、…
3.4变频器在供水行业的节能改造 主要应用于输水泵、加压泵、深井泵、恒压供水系统、软水供水系统、自动给水系统、消防供水系统、水处理系统、…
3.5变频器在建材行业的节能改造
我国是水泥工业大国，水泥生产过程大量使用交流电机，有许多应用场合需要通过改变转速达到节能和改善工艺的需求，比如回转窑拖动、旋窑、立窑排风机、罗茨风机、离心风机、集尘系统、球磨机、空气压缩机、原料矿石的破碎、堆取、研磨、均化，旋窑的驱动、窑尾风机、窑头风机、蓖冷风机的调速，煤粉制备等等都可以通过合理的应用变频调速达到节能的目的。
3.6变频器在矿山的节能改造 主要应用于矿井通风机、空压机、抽水泵、提升机、皮带运输机、洗煤机、选矿厂、煤厂风机、…
在矿山、冶金、石化等工业中，大量使用风机、水泵、搅拌机和压缩机。这些机械一般用交流电机驱动，功率都在几百千瓦以上，有的高达数千甚至上万千瓦，消耗的电能非常大。但大部分都不是常年工作在额定功率，经常只有50%~70%甚至更低的输出量。目前这类机械大多还使用恒速交流传动，用挡板、阀门或空放回流的办法进行调节，损失大量电能。用变频调速取代能源浪费较为严重的挡风板调节风量方式，可减少风机振动消除大电机起动的电流冲击，避免机械振荡，降低设备故障率，减轻设备维修工作量，易于实现微机或风量循环自动调节。
3.7变频器在纺织化纤业的节能改造 主要应用于车间空调系统、调湿机、送风机、压缩机、冷却水塔、清水泵、深井泵、锅炉风机、染整机、…
3.8变频器在空调的应用
变频空调是世界空调消费的流行趋势。与普通空调相比，变频空调有着舒适、静音、恒温、高效运转、使用寿命长等显著优势。据了解，目前在日本，变频空调数量已占家用空调总数的95%以上。变频空调把50Hz的固定电网频率变换为20～140Hz的变化频率，调节空调电机转速。运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度，并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。同时保护电动机及负载设备免受瞬时启动的冲击，延长其工作寿命，还提高电动机及负载设备的工作精确度，使用变频空调节能省电的至少35%，业内专家指出，变频是当前空调实现节能最有效、最成熟的技术途径。在电荒与空调大面积使用重叠的夏季，使用变频空调可谓利国利民。
4结论
综上所述，变频调速技术在各行业中的应用所取得的节能效果是显而易见的。国家经贸委已将变频调速被列入重点实施的10项资源节约综合利用技术改造工程之一。《中华人民共和国节约能源法》明文规定，将变频调速列入通用节能技术加以推广。 “逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节能和电力电子技术”、“提高电能利用率”，因此，利用变频调速技术是解决目前缺电问题的最佳手段。
参考文献
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