淺談變頻器原理及其在工業(yè)節(jié)能降耗中的作用

陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司 李艷桃

淺談變頻器原理及其在工業(yè)節(jié)能降耗中的作用

陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司 李艷桃

變頻器是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的重要設(shè)備，其通過(guò)對(duì)頻率調(diào)節(jié)等方式可以實(shí)現(xiàn)不同要求下的具體生產(chǎn)。分析其在工業(yè)節(jié)能降耗中的作用有一定的意義?；诖?，本文以變頻器的原理作為切入點(diǎn)，重點(diǎn)分析變頻器在工業(yè)節(jié)能降耗中的作用，包括其節(jié)能原理、維護(hù)方式等，以期使相關(guān)內(nèi)容得到明晰，為后續(xù)理論的完善和實(shí)際工作的進(jìn)行提供幫助。

變頻器；節(jié)能降耗；工作原理

1.前言

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，由于生產(chǎn)要求的不同，設(shè)備的負(fù)荷需要調(diào)整，變頻器在相關(guān)工作中發(fā)揮著重要作用，而其對(duì)頻率的調(diào)整使節(jié)能降耗也得到了實(shí)現(xiàn)，分析相關(guān)原理以及具體內(nèi)容，有助于后續(xù)具體工作的開(kāi)展和優(yōu)化。

2.變頻器的原理

2.1 變頻器的基本原理

變頻器是以電力半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)，通過(guò)發(fā)揮電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，使固有工頻電源改變?yōu)槠渌l率的電能控制裝置。在其運(yùn)行過(guò)程中，受限將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)過(guò)再逆變過(guò)程，轉(zhuǎn)化得到另一種頻率的交流電。變頻器的基本組成結(jié)構(gòu)包括信號(hào)檢測(cè)電路、觸發(fā)脈沖電路和控制電路等。其工作流程主要包含以下幾個(gè)步驟：（1）整流；（2）直流電壓保持；（3）逆變；（4）發(fā)電機(jī)信號(hào)測(cè)量；（5）控制電路；（6）觸發(fā)脈沖電路?；谝陨瞎ぷ髟?，可以實(shí)現(xiàn)改變交流電頻率的目的。變頻器是現(xiàn)代工業(yè)電氣設(shè)備系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用不僅能夠?yàn)樯a(chǎn)安全提供保障，還具有一定的節(jié)能作用。而且變頻器技術(shù)仍處于快速發(fā)展階段，其節(jié)能降耗效果也會(huì)更加明顯。

2.2 變頻器的節(jié)能原理

交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為N=60f(1－s)/p，在其運(yùn)行過(guò)程中，決定轉(zhuǎn)速的往往是電源頻率，電源頻率值與交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，即電源的頻率越高，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，這是能夠應(yīng)用變頻器實(shí)現(xiàn)節(jié)能的基本原理。如工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中常用的水泵和風(fēng)機(jī)等，其轉(zhuǎn)速和流量往往存在正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速的平方和壓力也成正比，壓力和流量的乘積數(shù)值則與流體傳輸設(shè)備的軸功率相當(dāng)。

通過(guò)上述原理，可以總結(jié)出設(shè)備的節(jié)能降耗與輸出功率直接相關(guān)，二者呈現(xiàn)反比關(guān)系，即輸出功率越大，耗能往往越大，影響輸出功率的是交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。通過(guò)變頻器降低電壓，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的控制、降低，能耗因此得到了控制。比如風(fēng)機(jī)，應(yīng)用變頻器使其轉(zhuǎn)速降低，能耗也隨之出現(xiàn)顯著的下降。這是由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平方和壓力存在正比關(guān)系，降低電壓后，轉(zhuǎn)速矩陣受到影響，開(kāi)始下降，整體的負(fù)載水平也降低，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗[1]。

3.變頻器工業(yè)節(jié)能降耗中的作用

3.1 變頻器的應(yīng)用

結(jié)合上文內(nèi)容能夠發(fā)現(xiàn)，在交流電機(jī)的運(yùn)行中，電源對(duì)轉(zhuǎn)速有著直接的影響，所以如果能夠改變電源的頻率，就會(huì)改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低電機(jī)的能耗。另外，在工業(yè)中流體傳輸設(shè)備的運(yùn)行與能耗同樣有著緊密的聯(lián)系，而風(fēng)機(jī)與水泵主要的能耗設(shè)備，而其轉(zhuǎn)速主要受流速、壓力的影響，其中流速與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系，而壓力則與轉(zhuǎn)速的平方為正相關(guān)關(guān)系。總體而言，在工業(yè)中要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能較好的目標(biāo)，就需要調(diào)整其功率，因此將變頻器應(yīng)用在其中，能夠根據(jù)風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)整其運(yùn)行功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

3.2 節(jié)能降耗的作用

在工業(yè)中，變頻器經(jīng)常被應(yīng)用在水泵等設(shè)備上，并且具有較為明顯節(jié)能降耗效果。對(duì)此，本文以定某工廠中水泵的運(yùn)行實(shí)例為基礎(chǔ)，分析變頻器節(jié)能降耗的作用。在本工廠中，水泵是主要的能耗設(shè)備，所以為了落實(shí)可持續(xù)發(fā)展政策，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，需要對(duì)其所消耗的電量進(jìn)行分析，并將其作為調(diào)整變頻器的依據(jù)。

（1）水泵運(yùn)行。在改造水泵以前，本工廠主要使用的是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制水泵的流量，雖然具有一定的成效，但其線性效果較差，該裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)自行調(diào)節(jié)，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。在低加疏水泵運(yùn)行中，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)水流的調(diào)節(jié)程度較低，所以無(wú)法真正的實(shí)現(xiàn)節(jié)流，同時(shí)還會(huì)浪費(fèi)較多的電流。另外，在調(diào)節(jié)水泵的過(guò)程中，由于設(shè)備自身調(diào)節(jié)水平較低，導(dǎo)致水泵在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)空位或者低水位等問(wèn)題，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，還會(huì)縮短水泵的使用壽命。但是，如果水泵在運(yùn)行中出現(xiàn)水位較高的問(wèn)題，則會(huì)影響整體設(shè)備的穩(wěn)定性[2]。

經(jīng)過(guò)對(duì)低加疏水泵運(yùn)行狀態(tài)的分析，要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，可以通過(guò)變頻調(diào)節(jié)與節(jié)流調(diào)節(jié)兩種方式實(shí)現(xiàn)其目的。圖1 是低加疏水泵的特性曲線，其中（a）為節(jié)流調(diào)節(jié)，（b）為變頻調(diào)節(jié)，Q-H表示水泵特性曲線，而I、II表示管路特性曲線，經(jīng)過(guò)對(duì)兩種節(jié)能結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)調(diào)小水泵的轉(zhuǎn)速時(shí)，管路特性曲線與水泵特性曲線的交點(diǎn)就會(huì)由1（能耗為0Q11H1）變?yōu)?（能耗為0Q22H2），但是其揚(yáng)程并不會(huì)發(fā)生變化，所以變頻調(diào)節(jié)方式能夠降低水泵的能耗。下圖為低加疏水泵的特性曲線：

圖1 低加疏水泵的特性曲線

（2）節(jié)能作用。接下來(lái)，根據(jù)工廠中低壓疏水泵在2017年9月份的變頻改造為基礎(chǔ)，分別對(duì)改造以前、改造以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，全面闡述變頻器在工業(yè)中節(jié)能降耗的作用。相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變頻參數(shù)為：輸出頻率為0～300Hz，輸出電壓為0～400V，輸入電壓為（380～480V）±10%，額定功率等于55KW；電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速2970r/min，額定電流等于102.6A，額定電壓等于380V，額定功率為55KW。

經(jīng)將變頻器安裝在水泵中以后，保證電機(jī)處于相同的工作環(huán)境，分別取改造前、改造后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與比較：其中水泵在安裝變頻器以前，其電流分別為66.9A、65.4A、65.9A；安裝變頻以后水泵的電流為39.7A、39.8A、39.3A；設(shè)定電壓為380V、功率因素為0.81。其計(jì)算結(jié)果如下：

經(jīng)過(guò)比較，低壓疏水泵在未經(jīng)過(guò)變頻以前的能耗為：

當(dāng)對(duì)低壓疏水泵進(jìn)行變頻改造以后，其能耗為：

經(jīng)過(guò)改造以后，能耗顯著降低，預(yù)計(jì)每天的耗電量為5KWh。所以每天節(jié)能降耗的數(shù)量為：W節(jié)=W1-（W2+5）=845.3-506.7-5=333.6KWh

所以，變頻器的節(jié)能效果為：

η =W節(jié)/W1*100%=333.6/845.3*100%=39.5

通過(guò)上述計(jì)算能夠發(fā)現(xiàn)，將變頻器應(yīng)用在工廠水泵的節(jié)能降耗中，其節(jié)能降耗的效果較為明顯，尤其是當(dāng)設(shè)備屬于低負(fù)荷的工作狀態(tài)時(shí)，其節(jié)能效果更為明顯。

4.變頻器的日常維護(hù)方式

為了保證節(jié)能效果的有效性，需要對(duì)變頻器進(jìn)行維護(hù)，保證其運(yùn)行狀態(tài)，做法為：

（1）日常檢查。日常的檢查工作內(nèi)容主要檢查變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，便于工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常，進(jìn)而制定維護(hù)方案。在檢查的過(guò)程中，需要對(duì)顯示板、氣味、振動(dòng)與噪音等項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)致的檢查，通過(guò)觸摸檢測(cè)其溫度是否異常，同時(shí)還要保證其周圍環(huán)境的整潔程度。

（2）定期檢查。在定期檢查的工作中，需要切斷變頻器的電源，在設(shè)備處于停止運(yùn)行狀態(tài)期間，打開(kāi)外蓋，然后工作人員便可檢測(cè)其內(nèi)部部件是否存在老化、損壞等問(wèn)題。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備中的部件不能適應(yīng)其運(yùn)行的需求，則需要及時(shí)進(jìn)行更換，保證變頻器能夠發(fā)揮其節(jié)能降耗的作用[3]。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析變頻器原理及其在工業(yè)節(jié)能降耗中的作用，了解了相關(guān)基本內(nèi)容。變頻器可以根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)功率，從而進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)輸出功率作為核心手段，實(shí)現(xiàn)工業(yè)節(jié)能降耗。在我國(guó)大部分行業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中，變頻器均發(fā)揮著重要作用。變頻器的日常維護(hù)包括周期檢修和日常檢查等，以確保其功能完善。后續(xù)工作中，應(yīng)用相關(guān)理論有助于進(jìn)一步通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)工業(yè)節(jié)能降耗。

[1]白利軍.煤層氣地面開(kāi)采供電系統(tǒng)直流微網(wǎng)與節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),2016.

[2]楊霞.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能效果研究[D].北京建筑大學(xué),2015.

[3]曹磊.火力發(fā)電廠高壓電動(dòng)機(jī)變頻改造及其安全性經(jīng)濟(jì)性分析[D].山東大學(xué),2015.

李艷桃 （1969—），女，山西太原人，大學(xué)本科，中級(jí)化工電氣工程師，從事化工電氣工作。