1、變頻技術(shù)與其它調(diào)速節(jié)能技術(shù)的比較
根據(jù)交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 ：
試中：f——電源頻率（Hz）；p——電機(jī)的極對數(shù)；s——轉(zhuǎn)差率
由此可見，交流異步電動機(jī)的基本調(diào)速方法有三種：改變電機(jī)的極對數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s及電源頻率f。為滿足現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)（流量、壓力、轉(zhuǎn)速等）的需要，除了傳統(tǒng)的齒輪調(diào)速及液耦調(diào)速裝置外，并針對不同的調(diào)速原理，從電機(jī)學(xué)的角度，目前市場上也推出了不同的調(diào)速裝置：1）變極電機(jī)；2）高壓斬波內(nèi)潰調(diào)速裝置；3）高壓變頻調(diào)速裝置；4）電磁調(diào)速裝置。所有這些調(diào)速方法，在工業(yè)上均得到了不同程度的應(yīng)用。但因?yàn)楣?jié)能降耗的客觀要求，其中對節(jié)能降耗有重大意義的高壓變頻和斬波內(nèi)潰裝置近年來獲得了長足的發(fā)展，其技術(shù)不斷完善，節(jié)能效果也相當(dāng)顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果以調(diào)速傳動代替原有的恒速傳動，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋板和閥門調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)約電力30%左右，估計(jì)全國全年可節(jié)電數(shù)百億度。根據(jù)目前市場上的應(yīng)用普極程度及發(fā)展?jié)摿?，本文僅對高壓變頻及高壓斬波內(nèi)潰兩種調(diào)速原理進(jìn)行分析比較。
2、高壓變頻調(diào)速節(jié)能原理
高壓變頻器是在低壓變頻器已成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從功率控制角度來講，高壓變頻調(diào)速是典型的控制定子電磁功率從而間接控制轉(zhuǎn)子電磁功率的調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)機(jī)械功率控制，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。其功率控制原理是根據(jù)V/f曲線原理，通過改變頻率來適用相應(yīng)電壓。
一言以概之，高壓變頻器的節(jié)能原理就是：改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似理論：
式中：Q—風(fēng)機(jī)流量； H—風(fēng)機(jī)全壓；n—轉(zhuǎn)速；P— 軸功率。
風(fēng)量Q與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比，Q∝n；風(fēng)壓H與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的平方成正比，H∝n2；軸功率P與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的立方成正比，P∝n3。 可見電機(jī)轉(zhuǎn)速對其軸功率的影響是相當(dāng)大的。
傳統(tǒng)上對風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，是通過改變管網(wǎng)特性即改變風(fēng)門開度來實(shí)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)速風(fēng)機(jī)檔板的開度，管網(wǎng)的特性參數(shù)將發(fā)生變化，輸出流量發(fā)生變化，這樣就達(dá)到了在定速運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出流量的目標(biāo)。因?yàn)樵诠こ探ㄔO(shè)過程中，風(fēng)機(jī)及其電機(jī)的選型要考慮到最大出力并留有一定的裕度，因而運(yùn)行中風(fēng)機(jī)的實(shí)際出力比起設(shè)計(jì)值來說偏小很多，調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度一般都小于40%，從而在檔板上消耗了大量的無效軸功率，極大地降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，浪費(fèi)了大量的能源。
高壓變頻器則是通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)從而達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，這種方法不必對風(fēng)機(jī)及其電機(jī)本身進(jìn)行改造，轉(zhuǎn)速由外部調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)檔板可處于全開位置保持不變，并能實(shí)現(xiàn)無級線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，完全消除風(fēng)機(jī)擋板造成的節(jié)流損失。
3、節(jié)能效果
北京國電四維清潔能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Swdrive-HV10/600變頻器應(yīng)用于烏海德晟煤焦化廠羅茨風(fēng)機(jī)。由于每臺高壓變頻器在出廠前均經(jīng)過實(shí)際風(fēng)機(jī)負(fù)載的整機(jī)出廠檢驗(yàn)和調(diào)試，在現(xiàn)場的調(diào)試又可以在沒有高壓輸入的情況下調(diào)試，因此在經(jīng)過約一周多的施工、安裝和調(diào)試后，上電試驗(yàn)和試運(yùn)行進(jìn)行順利，一次投運(yùn)成功，高壓變頻器一直持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)生產(chǎn)情況，風(fēng)機(jī)運(yùn)行30HZ左右就能滿足了生產(chǎn)工藝要求;運(yùn)行轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的60%左右，完全滿足了工況運(yùn)行。
變頻改造后節(jié)能效果顯著，與原有的工頻驅(qū)動方式相比，風(fēng)機(jī)效率穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)，電動機(jī)能耗大大降低，節(jié)約電量可達(dá)37%。特別是機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，效果更顯著。以下為節(jié)能效果估算：
節(jié)能估算條件：是在同一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行比較，相同生產(chǎn)條件需求下，同一段母線上的兩臺羅茨風(fēng)機(jī)，1#羅茨風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，2#羅茨風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，兩臺電動機(jī)進(jìn)行比較節(jié)能估算。首先8月份是正常生產(chǎn)時(shí)期，8月開始投入變頻至今， 1#電動機(jī)耗電能有功功率平均在362KW，投入變頻運(yùn)行后2#電動機(jī)耗電能有功功率平均在230KW。以上數(shù)據(jù)不難看出投入變頻后確實(shí)起到節(jié)能。另外，無功功率也從原來的平均276KVar降到平均為83KVar左右，大大改善了系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算，由于生產(chǎn)使用自備發(fā)電，以0.386元/kWH的成本價(jià)電費(fèi)，按以下計(jì)算公式計(jì)算，年節(jié)電效益:年節(jié)電效益=(工頻時(shí)平均功率-變頻時(shí)平均功率)×天運(yùn)行小時(shí)數(shù)×年運(yùn)行天數(shù)×電費(fèi)單價(jià)，結(jié)果如下：
(362kW-230kW)×24小時(shí)/天×300天/年×0.386元/kWH=36.69(萬元/年)。
按照保守的計(jì)算方法，每年可節(jié)電費(fèi)近37萬元，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。本次羅茨風(fēng)機(jī)配套用風(fēng)光牌高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)改造成功后，由于實(shí)現(xiàn)了頻率的遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)控，產(chǎn)品運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，大大地改善了系統(tǒng)工藝，該公司決定二期工程再購買我們公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)用于羅茨風(fēng)機(jī)配套電動機(jī)?！?br />
4、其他效益
7.1 該羅茨風(fēng)機(jī)由于采用變頻控制，可對風(fēng)量進(jìn)行精確控制，而且與閥門控制相比更直觀、方便調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量來滿足生產(chǎn)需要;
7.2 由于采用了變頻技術(shù)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動，不存在啟動電流沖擊;原來沒有使用變頻器時(shí)電機(jī)直接啟動，啟動電流高達(dá)200-300A，對電機(jī)或電網(wǎng)都具有不利的影響?，F(xiàn)在使用變頻器軟啟動，啟動電流不高于額定電流46A,減少了風(fēng)機(jī)出口壓力瞬間提高對風(fēng)機(jī)的沖擊，從而延長了風(fēng)機(jī)和其他設(shè)備的使用壽命;
7.3 由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為原來的60%，大大減少了風(fēng)機(jī)管道振動頻率和噪聲，延長風(fēng)機(jī)、電機(jī)軸承的機(jī)械壽命，減少了設(shè)備的維護(hù)量。
7.4 由于旁通閥門幾乎不操作，減少了風(fēng)道的振動與磨損腐蝕，提高了機(jī)械壽命?！ ?br />
5、 變頻改造總結(jié)
根據(jù)針對該項(xiàng)目的變頻改造經(jīng)驗(yàn)以及同類其他項(xiàng)目的實(shí)踐結(jié)果，總結(jié)出國電四維高壓變頻器改造具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)安裝簡單。變頻器安裝在高壓開關(guān)柜和電機(jī)之間，對原有接線改動不大。
(2)操作簡單。直觀的中文人機(jī)界面，設(shè)備具有開機(jī)、停機(jī)和頻率調(diào)整等操作。
(3)調(diào)速平滑。能夠進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，并且調(diào)速精度高。
(5)節(jié)電明顯。根據(jù)工況要求，變頻器一般運(yùn)行在27Hz左右，實(shí)際輸入電流不到額定電流的一半，節(jié)電率高達(dá)37%以上。
(6)噪音降低。由于電機(jī)運(yùn)行于較低轉(zhuǎn)速上，運(yùn)行噪音大大降低，電機(jī)的發(fā)熱量也有明顯下降。
(7)保護(hù)完善。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能，降低了電機(jī)運(yùn)行中的故障率，并且啟動平穩(wěn)，啟動電流小，對電網(wǎng)的沖擊量小，大大提高了可靠性。輸出諧波小。變頻器輸出符合IEEE STD 519 1992及中國供電部門對電壓失真最嚴(yán)格的要求，高于國標(biāo)GB/T14549-93對諧波失真的要求，不需要采用輸出電抗器。
(8)具有星點(diǎn)漂移功能。三相輸出采用單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行中，如果有任意三個(gè)單元以內(nèi)出現(xiàn)故障，變頻器本身會自動旁路，同時(shí)變頻器主控系統(tǒng)具有星點(diǎn)漂移功能，使三相輸出線電壓保持平衡，不會對電動機(jī)造成不利影響。
6、結(jié)束語
從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，北京國電四維清潔能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器性能優(yōu)越，運(yùn)行可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)材料成本日益增長的今天，通過有效的節(jié)能改造，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
根據(jù)交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 ：
試中：f——電源頻率（Hz）；p——電機(jī)的極對數(shù)；s——轉(zhuǎn)差率
由此可見，交流異步電動機(jī)的基本調(diào)速方法有三種：改變電機(jī)的極對數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s及電源頻率f。為滿足現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)（流量、壓力、轉(zhuǎn)速等）的需要，除了傳統(tǒng)的齒輪調(diào)速及液耦調(diào)速裝置外，并針對不同的調(diào)速原理，從電機(jī)學(xué)的角度，目前市場上也推出了不同的調(diào)速裝置：1）變極電機(jī)；2）高壓斬波內(nèi)潰調(diào)速裝置；3）高壓變頻調(diào)速裝置；4）電磁調(diào)速裝置。所有這些調(diào)速方法，在工業(yè)上均得到了不同程度的應(yīng)用。但因?yàn)楣?jié)能降耗的客觀要求，其中對節(jié)能降耗有重大意義的高壓變頻和斬波內(nèi)潰裝置近年來獲得了長足的發(fā)展，其技術(shù)不斷完善，節(jié)能效果也相當(dāng)顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果以調(diào)速傳動代替原有的恒速傳動，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋板和閥門調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)約電力30%左右，估計(jì)全國全年可節(jié)電數(shù)百億度。根據(jù)目前市場上的應(yīng)用普極程度及發(fā)展?jié)摿?，本文僅對高壓變頻及高壓斬波內(nèi)潰兩種調(diào)速原理進(jìn)行分析比較。
2、高壓變頻調(diào)速節(jié)能原理
高壓變頻器是在低壓變頻器已成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從功率控制角度來講，高壓變頻調(diào)速是典型的控制定子電磁功率從而間接控制轉(zhuǎn)子電磁功率的調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)機(jī)械功率控制，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。其功率控制原理是根據(jù)V/f曲線原理，通過改變頻率來適用相應(yīng)電壓。
一言以概之，高壓變頻器的節(jié)能原理就是：改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似理論：
式中：Q—風(fēng)機(jī)流量； H—風(fēng)機(jī)全壓；n—轉(zhuǎn)速；P— 軸功率。
風(fēng)量Q與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比，Q∝n；風(fēng)壓H與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的平方成正比，H∝n2；軸功率P與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的立方成正比，P∝n3。 可見電機(jī)轉(zhuǎn)速對其軸功率的影響是相當(dāng)大的。
傳統(tǒng)上對風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，是通過改變管網(wǎng)特性即改變風(fēng)門開度來實(shí)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)速風(fēng)機(jī)檔板的開度，管網(wǎng)的特性參數(shù)將發(fā)生變化，輸出流量發(fā)生變化，這樣就達(dá)到了在定速運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出流量的目標(biāo)。因?yàn)樵诠こ探ㄔO(shè)過程中，風(fēng)機(jī)及其電機(jī)的選型要考慮到最大出力并留有一定的裕度，因而運(yùn)行中風(fēng)機(jī)的實(shí)際出力比起設(shè)計(jì)值來說偏小很多，調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度一般都小于40%，從而在檔板上消耗了大量的無效軸功率，極大地降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，浪費(fèi)了大量的能源。
高壓變頻器則是通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)從而達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，這種方法不必對風(fēng)機(jī)及其電機(jī)本身進(jìn)行改造，轉(zhuǎn)速由外部調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)檔板可處于全開位置保持不變，并能實(shí)現(xiàn)無級線性調(diào)節(jié)風(fēng)量，完全消除風(fēng)機(jī)擋板造成的節(jié)流損失。
3、節(jié)能效果
北京國電四維清潔能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Swdrive-HV10/600變頻器應(yīng)用于烏海德晟煤焦化廠羅茨風(fēng)機(jī)。由于每臺高壓變頻器在出廠前均經(jīng)過實(shí)際風(fēng)機(jī)負(fù)載的整機(jī)出廠檢驗(yàn)和調(diào)試，在現(xiàn)場的調(diào)試又可以在沒有高壓輸入的情況下調(diào)試，因此在經(jīng)過約一周多的施工、安裝和調(diào)試后，上電試驗(yàn)和試運(yùn)行進(jìn)行順利，一次投運(yùn)成功，高壓變頻器一直持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)生產(chǎn)情況，風(fēng)機(jī)運(yùn)行30HZ左右就能滿足了生產(chǎn)工藝要求;運(yùn)行轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的60%左右，完全滿足了工況運(yùn)行。
變頻改造后節(jié)能效果顯著，與原有的工頻驅(qū)動方式相比，風(fēng)機(jī)效率穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)，電動機(jī)能耗大大降低，節(jié)約電量可達(dá)37%。特別是機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，效果更顯著。以下為節(jié)能效果估算：
節(jié)能估算條件：是在同一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行比較，相同生產(chǎn)條件需求下，同一段母線上的兩臺羅茨風(fēng)機(jī)，1#羅茨風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，2#羅茨風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，兩臺電動機(jī)進(jìn)行比較節(jié)能估算。首先8月份是正常生產(chǎn)時(shí)期，8月開始投入變頻至今， 1#電動機(jī)耗電能有功功率平均在362KW，投入變頻運(yùn)行后2#電動機(jī)耗電能有功功率平均在230KW。以上數(shù)據(jù)不難看出投入變頻后確實(shí)起到節(jié)能。另外，無功功率也從原來的平均276KVar降到平均為83KVar左右，大大改善了系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算，由于生產(chǎn)使用自備發(fā)電，以0.386元/kWH的成本價(jià)電費(fèi)，按以下計(jì)算公式計(jì)算，年節(jié)電效益:年節(jié)電效益=(工頻時(shí)平均功率-變頻時(shí)平均功率)×天運(yùn)行小時(shí)數(shù)×年運(yùn)行天數(shù)×電費(fèi)單價(jià)，結(jié)果如下：
(362kW-230kW)×24小時(shí)/天×300天/年×0.386元/kWH=36.69(萬元/年)。
按照保守的計(jì)算方法，每年可節(jié)電費(fèi)近37萬元，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。本次羅茨風(fēng)機(jī)配套用風(fēng)光牌高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)改造成功后，由于實(shí)現(xiàn)了頻率的遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)控，產(chǎn)品運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，大大地改善了系統(tǒng)工藝，該公司決定二期工程再購買我們公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)用于羅茨風(fēng)機(jī)配套電動機(jī)?！?br />
4、其他效益
7.1 該羅茨風(fēng)機(jī)由于采用變頻控制，可對風(fēng)量進(jìn)行精確控制，而且與閥門控制相比更直觀、方便調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量來滿足生產(chǎn)需要;
7.2 由于采用了變頻技術(shù)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動，不存在啟動電流沖擊;原來沒有使用變頻器時(shí)電機(jī)直接啟動，啟動電流高達(dá)200-300A，對電機(jī)或電網(wǎng)都具有不利的影響?，F(xiàn)在使用變頻器軟啟動，啟動電流不高于額定電流46A,減少了風(fēng)機(jī)出口壓力瞬間提高對風(fēng)機(jī)的沖擊，從而延長了風(fēng)機(jī)和其他設(shè)備的使用壽命;
7.3 由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為原來的60%，大大減少了風(fēng)機(jī)管道振動頻率和噪聲，延長風(fēng)機(jī)、電機(jī)軸承的機(jī)械壽命，減少了設(shè)備的維護(hù)量。
7.4 由于旁通閥門幾乎不操作，減少了風(fēng)道的振動與磨損腐蝕，提高了機(jī)械壽命?！ ?br />
5、 變頻改造總結(jié)
根據(jù)針對該項(xiàng)目的變頻改造經(jīng)驗(yàn)以及同類其他項(xiàng)目的實(shí)踐結(jié)果，總結(jié)出國電四維高壓變頻器改造具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)安裝簡單。變頻器安裝在高壓開關(guān)柜和電機(jī)之間，對原有接線改動不大。
(2)操作簡單。直觀的中文人機(jī)界面，設(shè)備具有開機(jī)、停機(jī)和頻率調(diào)整等操作。
(3)調(diào)速平滑。能夠進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，并且調(diào)速精度高。
(5)節(jié)電明顯。根據(jù)工況要求，變頻器一般運(yùn)行在27Hz左右，實(shí)際輸入電流不到額定電流的一半，節(jié)電率高達(dá)37%以上。
(6)噪音降低。由于電機(jī)運(yùn)行于較低轉(zhuǎn)速上，運(yùn)行噪音大大降低，電機(jī)的發(fā)熱量也有明顯下降。
(7)保護(hù)完善。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能，降低了電機(jī)運(yùn)行中的故障率，并且啟動平穩(wěn)，啟動電流小，對電網(wǎng)的沖擊量小，大大提高了可靠性。輸出諧波小。變頻器輸出符合IEEE STD 519 1992及中國供電部門對電壓失真最嚴(yán)格的要求，高于國標(biāo)GB/T14549-93對諧波失真的要求，不需要采用輸出電抗器。
(8)具有星點(diǎn)漂移功能。三相輸出采用單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行中，如果有任意三個(gè)單元以內(nèi)出現(xiàn)故障，變頻器本身會自動旁路，同時(shí)變頻器主控系統(tǒng)具有星點(diǎn)漂移功能，使三相輸出線電壓保持平衡，不會對電動機(jī)造成不利影響。
6、結(jié)束語
從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，北京國電四維清潔能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器性能優(yōu)越，運(yùn)行可靠，有效地降低了生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)材料成本日益增長的今天，通過有效的節(jié)能改造，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
