基于變頻器的電機(jī)控制節(jié)能系統(tǒng)研究

樊勇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.146

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，各項節(jié)能環(huán)保技術(shù)廣泛應(yīng)用在企業(yè)生產(chǎn)活動中，將現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)有機(jī)地結(jié)合起來，有利于實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排的目標(biāo)。變頻器是現(xiàn)代電力電子、微電子、自動控制等技術(shù)的結(jié)合體，通過電力電子半導(dǎo)體通斷作用調(diào)節(jié)電能功率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該文主要闡述了電機(jī)變頻調(diào)速原理和電機(jī)控制節(jié)能技術(shù)要求，并將變頻器電機(jī)控制節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用在實際工程中，取得了一定的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：變頻器 電機(jī)控制 節(jié)能系統(tǒng) 調(diào)速

中圖分類號：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0146-02

電機(jī)是一種應(yīng)用范圍廣、高耗能的動力設(shè)備，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國總裝機(jī)容量是4億kW，年耗電量大概是6 000億kW。我國大部分都是中小型電機(jī)，中小型電機(jī)的數(shù)量占整個電機(jī)的80%，占總耗電量的90%，因此，我國電機(jī)節(jié)能降耗具有很大的潛力，也是符合當(dāng)下國家提出建設(shè)資源節(jié)約型戰(zhàn)略方針。變頻器在電機(jī)節(jié)能方面效果顯著，它具有高性能、高精度，可以實現(xiàn)無極調(diào)速，與降壓調(diào)速、變極調(diào)速相比，變頻調(diào)速調(diào)速范圍廣、運行穩(wěn)定，因此，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)也在不斷進(jìn)步和發(fā)展。

1 變頻調(diào)速節(jié)能的原理

目前大部分風(fēng)機(jī)、水泵、液壓油泵、空壓機(jī)、循環(huán)泵等電機(jī)負(fù)荷的壓力、流量以及風(fēng)量控制系統(tǒng)全部都是閥空系統(tǒng)，也就是電機(jī)由額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動力進(jìn)行驅(qū)動運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)提供壓力、流量和恒定流量。在實際應(yīng)用中，如果設(shè)備需求發(fā)生變化，為了滿足機(jī)器運行需求，出口端的溢壓閥、溢流調(diào)節(jié)負(fù)載壓力、流量和風(fēng)量。但是經(jīng)過溢壓閥、溢流調(diào)節(jié)后，會釋放大量的能量，這些釋放的能量其實就是電機(jī)從電網(wǎng)中產(chǎn)生的能量的一部分，所以造成嚴(yán)重的浪費。從這也可以看出，電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速和頻率成正比，如果想要達(dá)到節(jié)能的目的，則要改變電機(jī)的運行方式，讓它即便不在額定轉(zhuǎn)速下，也能正常運轉(zhuǎn)，所以必須改變變頻調(diào)控控制系統(tǒng)，讓其停啟和調(diào)整設(shè)備的運行，讓電機(jī)在0至額定轉(zhuǎn)速內(nèi)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出的壓力、流量或風(fēng)量在0～100%的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，從而使得設(shè)備運行的頻率和負(fù)載所匹配，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。電機(jī)轉(zhuǎn)速的公式：n=60f（1-s）/p，其中：n=電機(jī)轉(zhuǎn)速，f=電源頻率，p=電機(jī)的極對數(shù)，s=轉(zhuǎn)差率。從上面的公式可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，因此改變電源的頻率就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)設(shè)備頻率的目的。

2 電機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)能要求

目前大多數(shù)電機(jī)使用恒V/F控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單、成本低，適合風(fēng)機(jī)、水泵等大型、對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場所。變頻電機(jī)系統(tǒng)必須滿足一般平滑調(diào)速需求，但是它的動、靜態(tài)性能不是很好，如果需要高動、靜特性，則需要反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。基于變頻器的電機(jī)變頻調(diào)速想要達(dá)到節(jié)能的目的，必須滿足以下幾個方面的要求。

2.1 轉(zhuǎn)換性

我國基于變頻器電機(jī)控制節(jié)能系統(tǒng)方面的技術(shù)還在進(jìn)一步研究，但是國外這方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，基于變頻器的控制系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛。常見的有機(jī)械制造生產(chǎn)技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)、電子電工技術(shù)等，只要有機(jī)電的地方，都可以通過變頻器制定小系統(tǒng)代替人工作業(yè)。以德國為例，通過變頻器建立控制系統(tǒng)對數(shù)控機(jī)床設(shè)備進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)的程序員只要調(diào)整數(shù)控機(jī)床的運轉(zhuǎn)速度，就能滿足工業(yè)設(shè)備切割精度，從而確保產(chǎn)品的質(zhì)量。這種系統(tǒng)使用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括控制器、電動機(jī)、放大器、測量元件，測量元件使用開關(guān)式傳感器，這種閉環(huán)控制系統(tǒng)具有強抗干擾能力，并利用反饋產(chǎn)生的控制作用消除系統(tǒng)運行過程中的偏差。

2.2 智能化

隨著計算機(jī)、信息化、控制技術(shù)的發(fā)展，電器設(shè)備開始逐漸走向智能化、自動化發(fā)展，因此，變頻器控制系統(tǒng)也逐漸發(fā)展為自動變頻控制系統(tǒng)，自動變頻控制系統(tǒng)是利用計算機(jī)、電子設(shè)備，收集變頻電機(jī)數(shù)據(jù)資料，并對其進(jìn)行處理，確保電機(jī)信息的準(zhǔn)確性，從而對電機(jī)的運行和管理提供參考。通過控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行速度，從而確保變頻電機(jī)正常運行。此外，系統(tǒng)還可以利用計算機(jī)、放大器、顯示器以及其他元件作為系統(tǒng)的輔助設(shè)備，對整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。這樣電機(jī)操作人員能夠根據(jù)顯示器和放大器顯示的數(shù)據(jù)，按照設(shè)備運行要求對電機(jī)進(jìn)行調(diào)控，確保變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速處于一個合理的范圍內(nèi)，避免轉(zhuǎn)速過高對系統(tǒng)造成的不良影響。而且這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較合理，應(yīng)用性強，非常符合變頻電機(jī)變頻控制系統(tǒng)運行的要求。

2.3 靈活性

目前市場上一些變頻器使用先進(jìn)的轉(zhuǎn)子磁場矢量動態(tài)控制測量，讓異步電動機(jī)交流電氣調(diào)速轉(zhuǎn)動系統(tǒng)能夠達(dá)到與直流電氣調(diào)速傳動系統(tǒng)同等靜、動態(tài)實時調(diào)節(jié)工，變頻器調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)可以自動尋找功能模塊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制調(diào)速。并且能夠?qū)ο到y(tǒng)故障進(jìn)行自檢，縮短了故障排查檢修的時間，達(dá)到提高了系統(tǒng)的運行效率。變頻器與PLC控制器配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對變速控制、速差大范圍調(diào)節(jié)、非線性負(fù)荷控制，從而確保系統(tǒng)的安全性和節(jié)能性。

3 基于變頻器的電機(jī)控制節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 工程概況

某煉鋼廠1#轉(zhuǎn)爐氧槍共有2臺冷卻水泵，額定流量為300 m3/h，進(jìn)口壓力是0.4 MPa，升壓是1.3 MPa，異步電動機(jī)機(jī)型是Y2355 L-2/380 V，功率是315 kW。由于煉鋼廠的1#轉(zhuǎn)爐氧槍冷卻水泵控制系統(tǒng)運行效率比較低，耗電量非常大，日常電能轉(zhuǎn)換率只有35%，因此整個冷水泵耗費了整個系統(tǒng)的45%以上的電能。因此，必須對煉鋼廠的1#轉(zhuǎn)爐氧槍異步電動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造。利用變頻器的綜合控制能力，與電機(jī)、傳感器、顯示器等其他硬件組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高整個電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。

3.2 變頻器電機(jī)控制節(jié)能效果

通過對轉(zhuǎn)爐氧槍冷卻水泵控制系統(tǒng)進(jìn)行改造以后，然后2臺水泵其中一臺使用工頻加閥門調(diào)節(jié)方式運行，另外一臺使用變頻調(diào)節(jié)，這兩臺水泵運行參數(shù)相同，但是實際運行效果也不一樣。表1是兩臺水泵運行數(shù)據(jù)。

從表1可以看出，在各項運行參數(shù)相同的情況下，2號水泵的運行效率更加穩(wěn)定，平均運行電流為196 A，工頻運行額定480 A的電流下降了284 A，實際節(jié)電效率為59.17%，所以可以看出節(jié)電效果十分明顯。該系統(tǒng)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計比較簡單，使用了比例調(diào)節(jié)器算法，可以對系統(tǒng)設(shè)計過程以及運用的原理進(jìn)行調(diào)整和控制，利于后期電機(jī)操作人員收集更多的數(shù)據(jù)信息對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善和調(diào)整。

4 結(jié)語

在當(dāng)前資源危機(jī)日益嚴(yán)重、環(huán)境惡化的形勢下，提高電機(jī)運行效率是未來發(fā)展的方向。而通過變頻器電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，能有效降低傳統(tǒng)控制系統(tǒng)電能的損耗，讓控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化、智能化，能有效降低工業(yè)生產(chǎn)成本，促進(jìn)變頻器更新?lián)Q代，應(yīng)用到更多產(chǎn)品中，從而促進(jìn)我國工業(yè)生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

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