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技術(shù)文章
變頻器的節(jié)能
點擊次數(shù)：2229 發(fā)布時間：2010-10-14
一、 節(jié)電原理
在生產(chǎn)中，許多設(shè)備的能耗都與機組的轉(zhuǎn)速有關(guān)，其中油、水泵zui為突出，這些設(shè)備一般都是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的zui大負(fù)荷條件，如zui大流量和揚程進(jìn)行選擇的，但實際生產(chǎn)中所需的流量往往比設(shè)計的zui大流量小的多，如果所用的電動機是不能調(diào)速的，通常只能通過調(diào)節(jié)閥門的開度來控制流量其結(jié)果在閥門上會造成很大的能量損耗，如果不用閥門調(diào)節(jié)，而是讓電機調(diào)速運行，那么，當(dāng)需要的流量減少時，電動機的轉(zhuǎn)數(shù)降低，消耗的能量將會明顯減少。
可知，當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門的方法，而是把電機轉(zhuǎn)速降下來，那么隨著泵的輸出壓頭的降低，在輸出同樣流量的情況下，原來消耗在閥門上的功率就可以*避免，這就是調(diào)速節(jié)電的原理所在。簡單地說，就是在不裝變頻調(diào)速裝置時，泵的出口排量靠出口閥調(diào)節(jié)，電機易過負(fù)荷，流量小時，靠關(guān)小閥門調(diào)節(jié)，增加了管道阻力， 使部分能量白白消耗在泵出口閥門上，安裝變頻調(diào)速器后， 可以降低泵的轉(zhuǎn)速，泵的揚程也相應(yīng)降低， 電機的電耗也相應(yīng)降低，使原來消耗在泵出口閥上的能量， 用變頻調(diào)速方法得到了解決。由于采用恒轉(zhuǎn)矩特性， 變頻降速后的電機轉(zhuǎn)矩不變，拖動力矩恒定，可以保證排量，從而實現(xiàn)了節(jié)約電能的作用。
變頻器產(chǎn)品特性
1.節(jié)電效益顯著，節(jié)電率高達(dá)20%~60%；
2.平滑啟動，消除啟動時的沖擊電流，啟動時電機電流可限制在其額定電流的150%之內(nèi)；
3.減少電機發(fā)熱及運動部件的磨損程度，有效延長電機使用壽命，降低維修成本；
4.微電腦智能控制，自動適應(yīng)、自動跟隨，無需人工調(diào)整；
5.市電及節(jié)電狀態(tài)自動轉(zhuǎn)換，故障自動報警，不影響正常工作。
1.節(jié)電效益顯著，節(jié)電率高達(dá)20%~60%；
2.平滑啟動，消除啟動時的沖擊電流，啟動時電機電流可限制在其額定電流的150%之內(nèi)；
3.減少電機發(fā)熱及運動部件的磨損程度，有效延長電機使用壽命，降低維修成本；
4.微電腦智能控制，自動適應(yīng)、自動跟隨，無需人工調(diào)整；
5.市電及節(jié)電狀態(tài)自動轉(zhuǎn)換，故障自動報警，不影響正常工作。
二、變頻器的應(yīng)用
2.1 變頻器在水泵上的應(yīng)用
我公司*臺變頻器是用在污水提升泵上的，型號是FRN75-P74的日本富士產(chǎn)品。由于當(dāng)時對變頻器的性能，可靠性等并不十分了解，所以在污水提升泵上應(yīng)用變頻器屬于試驗性質(zhì)的。*臺變頻器投用后，電機工作電流下降了近50%，電機運行溫度明顯下降，機械磨損減少了，維護工作量也減少了，運行中發(fā)現(xiàn)，變頻器各種保護功能可靠，消除了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現(xiàn)象，確保了安全運行。
根據(jù)污水提升泵應(yīng)用變頻器的效果，我公司又在生活飲用水和生活熱水泵上安裝了變頻調(diào)速器。飲用水和熱水泵電機的功率分別是 55 kw 和 37kw，白天用水量大，需將泵的出口閥全打開，而夜間用水量較小，需適當(dāng)關(guān)小出口閥，而關(guān)小出閥的后果是造成泵憋壓，管網(wǎng)被憋漏的情況也時有發(fā)生，為了解決以上問題在飲用水和熱水泵上分別安裝了變頻器，采用了恒壓閉環(huán)控制方案。投用后，運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何故障，即解決了憋壓問題又收到了較好的節(jié)電效果。
2.2 變頻器在油泵上的應(yīng)用
我公司共有各類油泵上百臺，總裝機容量為近萬kw，其中，zui大電機容量為500kw。在近幾年的工藝改造過程中，為了適應(yīng)今后生產(chǎn)發(fā)展的需要，泵和電機的富裕量都較大，以常減壓裝置為例，主要機泵的能力可以達(dá)到每年加工原油250×104 t。而實際生產(chǎn)中，每年的實際加工量為（l00～140）×104t。調(diào)查結(jié)果表明，泵的功率消耗在泵出口閥和控制閥上為30%～60%。所以在油泵上應(yīng)用變頻器將有較大的節(jié)能潛力。
2.3 變頻器在風(fēng)機上的應(yīng)用
由于鍋爐是煉油企業(yè)的主要動力，而鍋爐鼓風(fēng)機是鍋爐系統(tǒng)主要耗電設(shè)備，運行中常有風(fēng)機震動，軸溫過高等現(xiàn)象，所以在鼓風(fēng)機上安裝變頻器具有重要意義。選用的變頻調(diào)速裝置應(yīng)具備多種保護功能，才能較好的保障鍋爐運行的安全性和可靠性。
經(jīng)過對鍋爐運行狀況的調(diào)查和認(rèn)真分析，認(rèn)為在鍋爐鼓風(fēng)機安裝變頻器，須在技術(shù)上解決以下問題： （l）鍋爐的安全運行是全公司動力的根本保證，雖然變頻調(diào)速裝置是可靠的， 但發(fā)生問題時，須確保鍋爐安全供汽。所以，必須實現(xiàn)工頻一變頻調(diào)速運行的自動切換。
（2）鍋爐風(fēng)機的拖動電機容量為135kw，對于這種大慣量負(fù)荷的風(fēng)機，可能存在扭曲共振。運行中，一旦發(fā)生共振，將嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)機和拖動電機。所以，必須計算風(fēng)機一電機連接軸系扭振臨界轉(zhuǎn)速以及采取相應(yīng)的技術(shù)措施。
針對以上問題，采取了如下辦法：
（1）設(shè)置了由工頻切換至變頻及變頻切至工頻的快速瞬時切換工能。 經(jīng)過現(xiàn)場試驗及實際應(yīng)用，切換功能保證了工頻一變頻間快速瞬時互相切換，能夠滿足風(fēng)機運行過程中的切換要求。
（2）為了進(jìn)一步分析風(fēng)機一電機系統(tǒng)是否可能存在扭曲共振問題，經(jīng)查閱有關(guān)資料及結(jié)構(gòu)圖，獲得了風(fēng)機一電機軸系扭振固有頻率為：*階扭振固有頻率為1222.4Hz，第二階為3867.4Hz。由此可以得出，在0～50HZ 調(diào)速絕不會出現(xiàn)扭曲共振。
鍋爐鼓風(fēng)機安裝變頻器后，收到了以下效果：
（1）適當(dāng)降低爐膛壓力可以大幅度地降低風(fēng)機電耗。當(dāng)鍋爐負(fù)荷均為 50 t/h，燃燒工況及操作條件相似的情況下，安裝變頻器前后的電機電流由180A降為90A，按年8000h計算，年節(jié)電30×104kw?h。
（2）由于操作控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改善，使燃燒工況趨于低氧燃燒，提高了鍋爐熱效率。風(fēng)機變頻安裝前，鍋爐風(fēng)量控制手段是調(diào)節(jié)風(fēng)機入口擋板和火嘴風(fēng)門，入口擋板的調(diào)節(jié)方法即不靈活又十分粗略，無法進(jìn)行風(fēng)量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，為此，操作中風(fēng)量往往過大。實現(xiàn)變頻調(diào)速后，鍋爐燃燒過程中氧含量的控制十分方便準(zhǔn)確。在操作室就可以對鍋爐燃燒所需的風(fēng)量進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，使燃燒工況趨于低氧燃燒，過?？諝庀禂?shù)由1.2降為1.1，鍋爐熱效率提高0.8個百分點，降低了燃料消耗，年節(jié)約燃燒油 200～500t。
（3）提高了功率因數(shù)。變頻調(diào)速裝置上增加了直流電抗器附件，這樣即可以防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波污染電源，也可防止沖擊電流，保護整流模塊。并使功率因數(shù)提高到0.95以上。
三、變頻器在節(jié)能改造中的分析
1、負(fù)載類型與節(jié)能關(guān)系
生產(chǎn)機械是各式各樣，種類繁多的，但負(fù)載類型主要有三類，P（KW）、M（nm）、N（r/min）。
生產(chǎn)機械是各式各樣，種類繁多的，但負(fù)載類型主要有三類，P（KW）、M（nm）、N（r/min）。
2、風(fēng)機水泵節(jié)能原理
風(fēng)機水泵的軸功率P與其風(fēng)（水）量Q、揚程H之間的關(guān)系為：P正比Q＊H，當(dāng)流量Q1變化到Q2時，電動機的轉(zhuǎn)速為n1、n2 , 此時Q、H、P相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：
Q2=Q1×（ n2 / n1）
H2=H1×（ n2 / n1 ）2
P2=P1×（ n2 / n1 ）3
風(fēng)機水泵的軸功率P與其風(fēng)（水）量Q、揚程H之間的關(guān)系為：P正比Q＊H，當(dāng)流量Q1變化到Q2時，電動機的轉(zhuǎn)速為n1、n2 , 此時Q、H、P相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：
Q2=Q1×（ n2 / n1）
H2=H1×（ n2 / n1 ）2
P2=P1×（ n2 / n1 ）3
n1-代表風(fēng)機水泵在額定轉(zhuǎn)速運行時的特性；
n2-代表風(fēng)機水泵降速運行在n2轉(zhuǎn)速時的特性；
R1-代表風(fēng)機水泵管路阻力zui小時的阻力特性；
R2-代表風(fēng)機水泵管路阻力增大到某一數(shù)組時的阻力特性。
風(fēng)機水泵在管路特性曲R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風(fēng)機水泵所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小風(fēng)量（流量）到Q2，實際上通過增加管網(wǎng)管阻，使風(fēng)機水泵的工作點移到R2上的B點，風(fēng)壓（水壓）增大到H2，這時風(fēng)機水泵所需的功率正比于H2Q2的面積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風(fēng)機水泵所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。
若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調(diào)速后風(fēng)機水泵所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。由上述原理可知，降低風(fēng)機水泵的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機水泵的輸出功率將下降更多。
3、節(jié)能計算
將電機的供電頻率由50Hz降為40Hz，則理論上，頻率改變后與改變前的輸出功率之比為 （40/50）3 = 51.2%。例如：一臺水泵電機功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8％，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5％。
風(fēng)機、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術(shù)，受到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術(shù)加以推廣。實踐證明，變頻器用于風(fēng)機、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護、維修費用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯，設(shè)備一次性投資通常可以在9個月到16個月的生產(chǎn)中全部收回。
4、變頻調(diào)速在不同行業(yè)的典型應(yīng)用對象
變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的調(diào)速性能、率、高可靠性在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)舉例如下：
冶金——軋鋼機、輥道、高爐風(fēng)機、泵、起重機械、高爐送料、鋼廠拋光等。
軋鋼制線——拉線機、卷繞機、鼓風(fēng)機、泵、起重機械、定長剪切、自動送料
鋼鐵——軋機、輥道、風(fēng)機、泵、起重機、鋼包車、轉(zhuǎn)爐傾動等。
電線業(yè)——拉絲機、卷繞機、鼓風(fēng)機等。
化工——擠壓機、膠片傳送帶、攪拌機、離心分離機、壓縮機、鼓風(fēng)機、噴霧器、泵等。
石油——輸油泵、電潛泵、注水泵、抽油機等。
化纖和紡織——紡紗機、精紡機、織機、梳棉機、漿紗機、中央空調(diào)、鼓風(fēng)機、泵類等。
汽車制造業(yè)——傳送帶、搬運車、涂料攪拌、中央空調(diào)、電瓶車等。
機床制造業(yè)——車床、龍門刨、銑床、磨床、機械加工中心、剃齒機等。
電子制造業(yè)——中央空調(diào)、風(fēng)機、泵、空壓機、注塑機、傳送帶等。
造紙業(yè)——造紙機、造紙機械、風(fēng)機、泵、粉碎機、攪拌機、鼓風(fēng)機等。
食品——制面機、制點心機、傳送帶、攪拌機等。
煤氣、自來水——壓縮機、鼓風(fēng)機、泵、搬運機等。
水泥——回轉(zhuǎn)窯、起重機械、鼓風(fēng)機、泵、主傳動電機、傳送帶、振動給料機、立窯風(fēng)機等。
礦業(yè)——泥漿泵、傳送帶、提升機、切削機、掘削機、起重機、鼓風(fēng)機、泵、壓縮機等。
交通——電動汽車、電力機車、船舶推進(jìn)、裝卸機械、空壓機、電纜車等。
裝卸搬運——自動倉庫、搬運車、粉體運送器、輸出傳送帶等。
建筑——電梯、傳送帶、空調(diào)設(shè)備、鼓風(fēng)機、泵等。
塑膠——橡膠截斷機、注塑機、壓出機、塑料薄膜生產(chǎn)線等。
生活、服務(wù)——空壓機、縫紉機、電風(fēng)扇、工業(yè)及家庭用洗衣機等。
物流——立體車庫、自動倉庫、傳送帶等。
電力——鍋爐鼓用鼓風(fēng)機、給水泵、離心混料機、傳送帶、揚水發(fā)電站、飛輪等。
賓館酒店、大廈——中央空調(diào)系統(tǒng)、電梯等。
農(nóng)業(yè)——制茶機、水泵、離舍通風(fēng)、糧庫通風(fēng)等。
試驗研究——電機對拖試驗實驗裝置、主軸實驗裝置、離心分離機等。
變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的調(diào)速性能、率、高可靠性在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)舉例如下：
冶金——軋鋼機、輥道、高爐風(fēng)機、泵、起重機械、高爐送料、鋼廠拋光等。
軋鋼制線——拉線機、卷繞機、鼓風(fēng)機、泵、起重機械、定長剪切、自動送料
鋼鐵——軋機、輥道、風(fēng)機、泵、起重機、鋼包車、轉(zhuǎn)爐傾動等。
電線業(yè)——拉絲機、卷繞機、鼓風(fēng)機等。
化工——擠壓機、膠片傳送帶、攪拌機、離心分離機、壓縮機、鼓風(fēng)機、噴霧器、泵等。
石油——輸油泵、電潛泵、注水泵、抽油機等。
化纖和紡織——紡紗機、精紡機、織機、梳棉機、漿紗機、中央空調(diào)、鼓風(fēng)機、泵類等。
汽車制造業(yè)——傳送帶、搬運車、涂料攪拌、中央空調(diào)、電瓶車等。
機床制造業(yè)——車床、龍門刨、銑床、磨床、機械加工中心、剃齒機等。
電子制造業(yè)——中央空調(diào)、風(fēng)機、泵、空壓機、注塑機、傳送帶等。
造紙業(yè)——造紙機、造紙機械、風(fēng)機、泵、粉碎機、攪拌機、鼓風(fēng)機等。
食品——制面機、制點心機、傳送帶、攪拌機等。
煤氣、自來水——壓縮機、鼓風(fēng)機、泵、搬運機等。
水泥——回轉(zhuǎn)窯、起重機械、鼓風(fēng)機、泵、主傳動電機、傳送帶、振動給料機、立窯風(fēng)機等。
礦業(yè)——泥漿泵、傳送帶、提升機、切削機、掘削機、起重機、鼓風(fēng)機、泵、壓縮機等。
交通——電動汽車、電力機車、船舶推進(jìn)、裝卸機械、空壓機、電纜車等。
裝卸搬運——自動倉庫、搬運車、粉體運送器、輸出傳送帶等。
建筑——電梯、傳送帶、空調(diào)設(shè)備、鼓風(fēng)機、泵等。
塑膠——橡膠截斷機、注塑機、壓出機、塑料薄膜生產(chǎn)線等。
生活、服務(wù)——空壓機、縫紉機、電風(fēng)扇、工業(yè)及家庭用洗衣機等。
物流——立體車庫、自動倉庫、傳送帶等。
電力——鍋爐鼓用鼓風(fēng)機、給水泵、離心混料機、傳送帶、揚水發(fā)電站、飛輪等。
賓館酒店、大廈——中央空調(diào)系統(tǒng)、電梯等。
農(nóng)業(yè)——制茶機、水泵、離舍通風(fēng)、糧庫通風(fēng)等。
試驗研究——電機對拖試驗實驗裝置、主軸實驗裝置、離心分離機等。