淺析變頻技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

魏樹(shù)強(qiáng)

摘要:隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高和電力電子技術(shù)的發(fā)展,水工程中采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)越來(lái)越多。政府號(hào)召節(jié)約資源、企業(yè)需要降低生產(chǎn)成本、市場(chǎng)呼吁節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品,而變頻技術(shù)被認(rèn)為是最有效的節(jié)能方式之一,使用變頻器不僅能達(dá)到科學(xué)用能、節(jié)能降耗的目的,而且能夠提高自動(dòng)化水平,改善工藝。

關(guān)鍵詞:變頻技術(shù) 水泵 節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào):TN77文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)03-0169-01

1變頻技術(shù)的降耗節(jié)能原理

1.1變頻節(jié)能

由流體力學(xué)可知,P(功率)=Q(流量)譎(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。

1.2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)功電能消耗在線路當(dāng)中,設(shè)備使用效率低下,浪費(fèi)嚴(yán)重,由公式P=S證OS中,Q=S譙IN中,其中S—視在功率,P—有功功率,Q—無(wú)功功率,COS—功率因數(shù),可知COS中越大,有功功率P越大,普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6～0.7之間,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,COS≈1,從而減少了無(wú)功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。

1.3軟啟動(dòng)節(jié)能

由于電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng),啟動(dòng)電流等于(4～7)倍額定電流,這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(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(mén)的損害極大,對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。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(kāi)始,最大值也不超過(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(mén)的使用壽命,節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

2變頻技術(shù)在水泵降耗節(jié)能改造中的應(yīng)用

目前,國(guó)內(nèi)在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù),大部分是在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下,即人為地根據(jù)工藝或外界條件的變化來(lái)改變變頻器的頻率值,以達(dá)到調(diào)速目的。

采用變頻調(diào)速技術(shù)后,電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速普遍下降,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,降低了設(shè)備的維修費(fèi)用。同時(shí),由于變頻器啟動(dòng)和調(diào)速平穩(wěn),減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。變頻調(diào)速器具有十分靈敏的故障檢測(cè)、診斷、數(shù)字顯示功能,提高了電機(jī)水泵運(yùn)行的可靠性。

3水泵高壓電機(jī)變頻調(diào)速改造應(yīng)注意的問(wèn)題

為達(dá)到電氣節(jié)能和工藝優(yōu)化的目的,高壓變頻器在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意:

3.1電機(jī)的特性試驗(yàn)和技術(shù)規(guī)范的再修訂

當(dāng)一臺(tái)普通電動(dòng)機(jī)由變頻提供電源時(shí),其變頻器輸出端的電壓和電流諧波分量會(huì)使電機(jī)的損耗增加、效率降低、溫度升高。高次諧波引起損耗的增加主要表現(xiàn)在定子和轉(zhuǎn)子的銅耗、鐵損及附加損耗的增加。在普通異步電機(jī)中,為改善電機(jī)啟動(dòng)性能,轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)使實(shí)際阻抗增加,從而使銅耗增大。

另一方面,由于電機(jī)線圈之間存在分布電容,當(dāng)高次諧波電壓輸入時(shí),各線圈之間的電壓是不均勻的,這種長(zhǎng)期反復(fù)作用使定子線圈某一部分的絕緣造成損傷,從而產(chǎn)生線圈老化,這在普通異步電動(dòng)機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)方面是難以接受的。

另外電機(jī)的電磁回路不可能做到絕對(duì)對(duì)稱,所以變頻器輸出電源中所含有的各次諧波分量將與電磁回路中固有的空間諧波分量相互作用形成各種電磁脈動(dòng)。同時(shí),電機(jī)因處在頻率不斷調(diào)節(jié)的工作狀態(tài)下,很容易與電機(jī)機(jī)械部分產(chǎn)生機(jī)械共振,造成電機(jī)機(jī)械部位的損壞。

因此,在變頻調(diào)速改造工程中,為了避免變頻調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)上述問(wèn)題,技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和電動(dòng)機(jī)制造廠家進(jìn)行技術(shù)合作,對(duì)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)特性進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn),重新修訂原電動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)范。

3.2電力電纜選型要點(diǎn)和敷設(shè)要求

由于變頻器輸出端與電機(jī)之間的聯(lián)系采用電纜附設(shè)方式,且線路各相均存在對(duì)地電容,所以運(yùn)行時(shí)線路上的電容電流是不相等的。如果電纜附設(shè)距離較長(zhǎng),且線路中又存在高次諧波電流,那么一旦發(fā)生單相接地時(shí),故障電容電流所點(diǎn)燃的電弧熄滅時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)使這端電纜發(fā)熱,造成非故障絕緣。

在變頻調(diào)速改造工程中,針對(duì)輸出電源電纜,考慮電纜結(jié)構(gòu)上的三相對(duì)稱和屏蔽,將電纜截面適當(dāng)增加,敷設(shè)長(zhǎng)度不超過(guò)限定值(100m),如果原輸出電源電纜為非屏蔽或截面的栽流量裕度小于2,應(yīng)更換符合要求的電力電纜。

現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)施工時(shí)要將電源電纜與控制電纜和信號(hào)電纜分開(kāi)敷設(shè),避免由電源電纜中高次諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾其他信號(hào)。

3.3變頻器工作環(huán)境的基本要求

由于高壓變頻器的逆變部分采用高壓IGBT等功率器件,其開(kāi)、關(guān)頻率大干100HZ,易形成高次諧波電流,使得變頻裝置在工作時(shí)將產(chǎn)生一定的熱量。一般在變頻器柜的頂部均配有排風(fēng)扇,它將柜內(nèi)的熱量排放到室內(nèi),使室內(nèi)的環(huán)境溫度不斷升高,最終會(huì)影響柜內(nèi)各器件的可靠運(yùn)行。所以,在水廠工程設(shè)計(jì)中一般變頻調(diào)速裝置單獨(dú)設(shè)置在變頻調(diào)速室內(nèi),室內(nèi)必須安裝備用空調(diào)設(shè)施,控制室內(nèi)環(huán)境溫度在變頻器所要求的范圍內(nèi),同時(shí)設(shè)有通風(fēng)門(mén)窗,必要時(shí)采用專(zhuān)門(mén)風(fēng)道進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)和冷卻。

3.4 高壓供電系統(tǒng)出口斷路器控制的技術(shù)完善

當(dāng)變頻器發(fā)生故障發(fā)出跳閘信號(hào)時(shí),斷路器應(yīng)可靠動(dòng)作跳閘。普通斷路器高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部出現(xiàn)跳閘回路斷線或直流控制電源消失的情況,變頻器恰好出現(xiàn)故障(要求斷路器跳閘)時(shí),跳閘線圈已失電,斷路器拒絕動(dòng)作,因而造成變頻器內(nèi)部的功率器件損壞。所以在設(shè)計(jì)中選擇了帶有欠壓脫扣線圈的斷路器,一旦出現(xiàn)跳閘回路斷線或控制電源消失的情況,斷路器首先自動(dòng)跳閘,以保護(hù)變頻器的設(shè)備安全。

4總結(jié)

綜上所述,變頻調(diào)速技術(shù)用于水泵控制系統(tǒng),具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行工藝安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節(jié)約能源的今天,推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置,對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實(shí)意義?？梢哉f(shuō),變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)利國(guó)利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。

參考文獻(xiàn):

[1] 李勇倫.基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2007.

[2]符錫理.多泵并聯(lián)變頻調(diào)速恒壓變量供水水泵的配置與控制[J].給水排水技術(shù)與產(chǎn)品信息,2000.

[3] 王錫仲,蔣志堅(jiān),高景峰.變頻優(yōu)化調(diào)壓節(jié)能供水裝置的研制[J].給水排水,1998.

[4] 呂志斗.實(shí)用廣譜變頻節(jié)能技術(shù)[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2003,(12).