針對電力生產(chǎn)特點采用高壓變頻技術(shù)的節(jié)能減排效果分析

【摘要】目前國內(nèi)電動機被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，工業(yè)、國防、商業(yè)等領(lǐng)域都把它視作各種業(yè)務(wù)的主要動力支撐。推廣變頻調(diào)速技術(shù)，并不斷改善風機、泵類電動機等，不僅能夠提高整個機組的工作效率，還且還能夠減少能耗。本研究在分析高壓變頻技術(shù)在電力生產(chǎn)中的特點和功能，證實了高壓變頻在電力生產(chǎn)中的節(jié)能效果是非常明顯的，具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】高壓變頻；電氣設(shè)備；調(diào)速；節(jié)能

1.電力生產(chǎn)的特點及節(jié)能減排的緊迫性

1.1電力生產(chǎn)的特點

電能作為與人們生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，具有其鮮明的特色。它作為一種不易存儲的可再生能源，是以消耗源源不斷的其他形式的能量為基礎(chǔ)的，因此發(fā)電機以及其他相關(guān)設(shè)備必須保持長期、連續(xù)并安全有效地運轉(zhuǎn)的。同時，電力生產(chǎn)過程中，其負荷是不斷變化的。電力生產(chǎn)和電力產(chǎn)品的這種特點也就決定了電力系統(tǒng)中，各工程及設(shè)備的安排必須根據(jù)其最大生產(chǎn)力的能耗進行配置，否則一旦功能過大，就會影響其電力設(shè)備，甚至造成安全隱患。

因此，在設(shè)計過程中，既不能根據(jù)電力生產(chǎn)力的平均能耗，也不能根據(jù)其生產(chǎn)過程中的最小能耗，必須使電力設(shè)備中汽輪機的受力大于發(fā)電機的受力情況，同時鍋爐的處理也必須大于汽輪機的受力情況。作為電力生產(chǎn)中的輔助設(shè)備，鍋爐的風機和水泵等的受力又必需大于鍋爐本身的出力。

以火力發(fā)電為例，其發(fā)電廠的設(shè)計規(guī)定必需按照設(shè)計規(guī)程嚴格執(zhí)行。電廠風機的出力值必須大于整個風機系統(tǒng)的最大風量和風壓的百分之五至百分之十的寬裕量。因此，實際操作和運行過程中，必須加強對風機流量的調(diào)節(jié)。通過雕節(jié)閥門和擋板去改變風機的工作速率，在這種調(diào)節(jié)過程中，還必須不能改變電機的運轉(zhuǎn)效率，以最大效率地達到節(jié)能減排的效果。同時，還要注意調(diào)節(jié)力度，盡量要有專人看管，加強對閥門和擋板的維護與檢修，以盡可能提高其調(diào)節(jié)精度。而運用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的設(shè)備則可以在實際工作中，自動改變調(diào)節(jié)給水量、風量的大小，不僅能夠滿足生產(chǎn)能力的需求，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的效果，同時還可以減少因頻繁調(diào)節(jié)擋板閥門和管道對其造成的磨損所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失。

1.2節(jié)能減排的緊迫性

當前我國電力節(jié)能減排形勢嚴峻，各個環(huán)節(jié)耗能比較多。從我國目前的電動機裝備容量看，總體達到數(shù)百億千萬，占到全國總消費電能的百分之六十到七十之間。但是在實際生產(chǎn)過程中，交流電動機占了百分之九十左右，大約只有2000萬千萬的電動機使用的是變頻調(diào)速機，幾乎百分之九十五以上的電動機沒有使用變頻調(diào)速，耗能巨大。國內(nèi)許多電動機的效率平均比發(fā)達國家低三至五個百分點，加上風機和泵類的負載效率低下，總體來看，我國電動機整體系統(tǒng)要比發(fā)達國家的電動機系統(tǒng)低有百分之二十。當然另一方面也說明我國電動機的節(jié)能潛力也比較巨大，如果加大對這些系統(tǒng)進行合理的開發(fā)改造，經(jīng)初步估算，每年的節(jié)電量將是五百億千瓦。因此，在國內(nèi)電機發(fā)電行業(yè)進行節(jié)能減排任務(wù)非常緊迫，節(jié)能減排已經(jīng)成為大勢所趨。

2.節(jié)能減排新技術(shù)——高壓變頻

2.1PWM控制技術(shù)

PWM控制技術(shù)是通過采用半導(dǎo)體原件的斷開和開通將直流電壓轉(zhuǎn)換成為具有一定形狀的脈沖序列，以實現(xiàn)對電流頻率和電壓的控制，消滅諧波的一種技術(shù)。PWM可以在變頻器的調(diào)控上實現(xiàn)，以顯著改善變頻器的輸出波長的特性，減少電動機的能耗和轉(zhuǎn)矩脈動，并不斷簡化逆變頻器的組織結(jié)構(gòu)，增快調(diào)節(jié)的速率，從而提高了整個系統(tǒng)的性能和帶動力。

2.2無速度傳感器矢量控制技術(shù)

近年來，很多高性能的異步電機調(diào)速技術(shù)也得到了普遍推廣和應(yīng)用。但是不得不提的是，速度傳感器的安裝和維護以及低性能等多方面的問題，也在不斷困擾著人們對矢量電機調(diào)速器的期望，其簡便性、穩(wěn)定性和廉價性等方面都有待提高。

2.3SPWM控制技術(shù)

此中控制技術(shù)是實踐中比較新穎的控制技術(shù)之一，近年來得到了長足的發(fā)展并有了較為廣泛的使用。其基本工作原理就是將幾個三角波信號與一個參考信號一一比較，產(chǎn)生出一種叫做SPWM的信號。然后，把三角波進行適當?shù)匾葡?，可以有效消除選定的諧波量。

3.高壓變頻器件

隨著國內(nèi)外變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的不斷普及和發(fā)展，那些大容量的傳動高壓（通常在兩千伏至十千伏之間）變頻調(diào)節(jié)技術(shù)與得到了推廣和應(yīng)用。目前高壓變頻器已經(jīng)成為目前電力技術(shù)最新的發(fā)展趨勢和發(fā)展領(lǐng)域之一。當前，主要高壓變頻產(chǎn)品大致分為三種類型。

3.1電流源型

電流源型中的高壓變頻傳輸器具有入側(cè)功率因數(shù)低、效率比高壓變頻器低和電抗器的發(fā)熱能力較大等突出問題，所以在高壓變頻器中的市場份額逐漸減少，競爭力漸漸變?nèi)醯内厔荼容^明顯。

3.2三電平型中高變壓器

該變壓器運用鉗位電路，有效化解了兩只功率元件的串聯(lián)問題，加上運用相電壓輸出三個電平的特點，造成了輸出電壓不高的弊端，其使用推廣也受到很大的限制。其主要的使用范圍通常在比較特殊的領(lǐng)域內(nèi)，比如提升機、軋鋼機和機車牽引機等。

3.3多電平型中高壓變頻器

此種變頻器采用多個低壓串聯(lián)成高壓的工作原理，將輸入端口的降壓變壓器運用移相的方法，能夠有效消滅諧波對電網(wǎng)的污染，而輸出端口則采用多電平正弦PWM技術(shù)，適用于各種電壓的普通電機。

4.高壓變頻在水泵、風機和壓縮機中的應(yīng)用

4.1泵類、風機變頻節(jié)能的原理

變頻器是鍋爐調(diào)速的主要控制方式，通過對鼓、引風機和給水泵的調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)節(jié)能的目的。根據(jù)異步電動機轉(zhuǎn)速的公式和水流體力學的基本原理我們可知，水泵在控制著轉(zhuǎn)速的時候，水泵的輸出量與其轉(zhuǎn)速成正比例的關(guān)系，同時，水泵的供水壓力和轉(zhuǎn)速的平方成正比例的關(guān)系，其所耗費的總功率等于流量和壓力相乘。

通過這個原理我們可知，由于軸的功率和轉(zhuǎn)速的立方成正比例的關(guān)系，當水泵的速度不斷下降時，其功率將會以立方根的比值大幅下降，因此，通過調(diào)節(jié)水泵的功率和轉(zhuǎn)速，可以充分實現(xiàn)節(jié)能減排。另一方面，從水泵的總體功率來看，其效率會隨著流量和轉(zhuǎn)速的相對值而增大或者減小。當流量有所減少時，水泵的效能降低幅度較大。而當其轉(zhuǎn)速得到有效控制時，由于水泵的閥門的開口保持不變，即流量保持不變，水泵的效能能夠總是處于最佳，進而大大提高其工作效率，真正達到了節(jié)能減排的效果。

同時，在風機類型的電氣設(shè)備中，變頻技術(shù)在工作時，并不需要很大規(guī)模的對原來的電動機進行改動，只要將其二次控制回路這一個方面改動即可。通過一個簡單程序，即可實現(xiàn)變頻調(diào)速的功效，使得電動機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)了無極變速。調(diào)速之后，整個電動機的調(diào)速范圍變寬了，其精度和效率都進一步提高，改變電動機的硬啟動，實現(xiàn)軟啟動，進而最大限度地減少啟動造成的沖擊和磨損，不僅提高了工作效率而且進一步實現(xiàn)了節(jié)能減排。

4.2壓縮機的變頻改造

在比較傳統(tǒng)的中央空調(diào)運行系統(tǒng)中，制冷機組是受制于制冷電動機的驅(qū)動而運轉(zhuǎn)的。其工作原理為：當冷卻水回水處溫度和冷卻水供水處溫度的差別與設(shè)定的溫度出現(xiàn)差別時，制冷壓縮機就開始工作，并進行部分或者全部卸載，這是，制冷電動機依然按照設(shè)定好的程序輕載運轉(zhuǎn)；而當冷凍水回水處溫度與冷凍水供水處溫度的溫度差大于設(shè)定溫度差時，制冷壓縮機進行部分或全部加載，制冷電動機滿載或輕載運轉(zhuǎn)。冷水泵和冷卻水泵啟動后保持運載。這種工作狀態(tài)是按額定運行工況設(shè)計的，但實際情況卻不總是這樣的，因為為了實現(xiàn)使用房間的數(shù)量和季節(jié)溫度等的變化，傳統(tǒng)中央空調(diào)系電能的浪費是不可避免的。運用高壓變頻技術(shù)，用風機、泵類的變頻器驅(qū)動制冷電動機，使冷凍水回水保持在設(shè)定溫度狀態(tài)，將改善空調(diào)機的運載性能，提高經(jīng)濟效益。通過一次風機高壓變頻改造的實例可以看出：高壓變頻技術(shù)在發(fā)電廠大功耗輔機節(jié)能上有著非常明顯的效果。

5.高壓變頻技術(shù)發(fā)展趨勢

交流變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合、機電一體的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息的手機、變換和傳輸，因此它必定會分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題，后者要解決的是軟硬件控制問題。因此，未來高壓變頻調(diào)速技術(shù)也將在這兩個方面得到發(fā)展。

6.結(jié)論

高壓變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。很多工程實踐的結(jié)果證明，高壓變頻調(diào)速技術(shù)使電氣設(shè)備節(jié)電率一般在百分之二十至百分之三十，有的高達百分之四十。發(fā)展高壓變頻調(diào)速技術(shù)，把高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到冶金、化工及建筑等行業(yè)中，將改善各行業(yè)電氣設(shè)備的系統(tǒng)性能，提高經(jīng)濟效益，同時也為我國節(jié)能減排的工作發(fā)揮巨大的推動作用。

參考文獻

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