變頻技術(shù)在機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造中的應(yīng)用研究

楊錄運(yùn)

（南陽(yáng)技師學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000）

機(jī)電設(shè)備通常包括電器、機(jī)械、電氣自動(dòng)化設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著綠色節(jié)能理念的普及與深化，變頻技術(shù)在企業(yè)節(jié)能改造中的應(yīng)用愈發(fā)深入，機(jī)電設(shè)備作為大多數(shù)現(xiàn)代化企業(yè)的技術(shù)機(jī)械基礎(chǔ)，有關(guān)于其節(jié)能變頻改造的工程也愈發(fā)常見，為落實(shí)有效節(jié)能改造作業(yè)，降低機(jī)電設(shè)備能源消耗，深入研究機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造中的變頻技術(shù)是必要的。

1 變頻技術(shù)原理及節(jié)能作用分析

變頻技術(shù)是在微機(jī)技術(shù)、電力傳統(tǒng)技術(shù)等基礎(chǔ)上形成的，是將直流電逆變?yōu)椴煌l率的交流電的轉(zhuǎn)換技術(shù)，主要依靠整流橋與逆變器實(shí)現(xiàn)，綜合性是其顯著特點(diǎn)。通過頻率間的變化，尤其是供電頻率方面，能夠通過此項(xiàng)技術(shù)對(duì)負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低設(shè)備所需功耗，優(yōu)化其運(yùn)行損耗，促進(jìn)設(shè)備使用年限的增加。于機(jī)電設(shè)備中借用變頻技術(shù)對(duì)其速度進(jìn)行調(diào)整，能夠有效減少調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)差消耗，使其降低至0，以此滿足企業(yè)技術(shù)節(jié)能要求。此外，將變頻技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備，還能夠發(fā)揮自動(dòng)加速、平滑、減速等功能作用，在不帶來更多能源消耗的前提下提升機(jī)電設(shè)備工作效率，滿足企業(yè)綠色科學(xué)、節(jié)能降耗的發(fā)展需要[1]。

2 研究機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造中變頻技術(shù)的應(yīng)用

2.1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)方面

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)作為機(jī)電設(shè)備的重要組成部分之一，運(yùn)用變頻技術(shù)對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，需明確具體改造內(nèi)容，以往傳統(tǒng)的節(jié)能改造方法主要通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片改造管網(wǎng)特性，但是在該改造方法實(shí)施過程中，由于風(fēng)機(jī)具有較大設(shè)計(jì)余量，所要改變的風(fēng)量大于所需風(fēng)量。但是通過采用變頻技術(shù)節(jié)能改造風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，本質(zhì)上采取的方法是減少運(yùn)行時(shí)間，并積極引用高效風(fēng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備，比如控制裝置、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)裝置等。與此同時(shí)，改造中盡可能減少空氣動(dòng)力，以此節(jié)約電力能源。以某鎮(zhèn)城底礦中的通風(fēng)機(jī)節(jié)能改造為例，介紹變頻技術(shù)的改進(jìn)選用變頻Harvest-A06/120 實(shí)行改造，其中，輸入頻率、輸出頻率分別為45Hz～55Hz、0.5Hz～120Hz，額定電壓為6000V±10%。通過落實(shí)變頻節(jié)能改造技術(shù)后，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體作業(yè)效率得到有效提升，風(fēng)機(jī)改造前的工作效率為45%，改造后增加33%，從電力能源省用的角度來看，每年可減少920000kWh 的電量投入。而且，變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用也能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)目標(biāo)，依托于運(yùn)行時(shí)間的有效減少降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的磨損量，一方面延長(zhǎng)設(shè)備機(jī)械的使用年限，另一方面減少了設(shè)備的人工維護(hù)成本。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)具體節(jié)能方法如下：

2.1.1 減少運(yùn)行時(shí)間

通過電動(dòng)機(jī)的通、斷和傳動(dòng)設(shè)備的通、斷控制，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接起動(dòng)、降壓起動(dòng)、變頻起動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)[2]。

2.1.2 采用高效設(shè)備

積極引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，在傳動(dòng)設(shè)備方面，具體包括：聯(lián)軸器、無級(jí)變速器、液粘離合器、齒輪、液力聯(lián)軸器；在高效電動(dòng)機(jī)方面，具體包括Y 系列電動(dòng)機(jī)等。

2.1.3 減少空氣動(dòng)力

為有效減少風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行期間的空氣動(dòng)力，可以通過兩方面實(shí)現(xiàn)：一是風(fēng)阻控制，具體技術(shù)措施是對(duì)入口葉片角度、入口風(fēng)門、出口風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)；二是轉(zhuǎn)速控制，即變頻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、雙饋調(diào)速、多級(jí)電機(jī)、液力耦合器、無級(jí)變速器等。

2.2 采煤機(jī)方面

采煤機(jī)作為目前應(yīng)用廣泛的機(jī)電設(shè)備之一，通常狀況下，采煤機(jī)的應(yīng)用環(huán)境較為嚴(yán)峻、復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行過程中容易受到多種環(huán)境因素的影響，這對(duì)其適應(yīng)性提出更高要求。在采煤機(jī)以往運(yùn)行過程中，主要采用滑差調(diào)速技術(shù)方法，雖然可以滿足一定的運(yùn)行要求，但整體變速能力不夠理想，因此，在該設(shè)備節(jié)能改造中，可以引用以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)的電牽式采煤機(jī)，依托于其變頻調(diào)節(jié)性能的充分發(fā)揮提高設(shè)備變速能力。將變頻技術(shù)應(yīng)用于采煤機(jī)節(jié)能改造工作中的標(biāo)志性特點(diǎn)就是能量回饋型四象限變頻器的應(yīng)用，該裝置的使用主要用于設(shè)備功能作業(yè)模式優(yōu)化與轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)采煤機(jī)主要采用一對(duì)二作業(yè)模式，但是在該裝置的合規(guī)應(yīng)用下，能夠使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)一作業(yè)模式，依托于變頻調(diào)節(jié)功能的充分發(fā)揮提升采煤機(jī)作業(yè)效率，減少作業(yè)期間設(shè)備產(chǎn)生的各項(xiàng)磨損，提高工作效率與質(zhì)量的同時(shí)，減少后期維護(hù)維修成本，滿足企業(yè)節(jié)能改造、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)化等方面的需求。以某煤礦開采工程為例，為降低采煤機(jī)故障率，提高生產(chǎn)效益，運(yùn)用APLH900 系列變頻器對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，該變頻器采用的控制技術(shù)為PLC，利用PLC技術(shù)程序的開放性與智能控制性，不僅能較好地完成主從控制目標(biāo)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)管控制變頻器的輸入端口、輸出端口，幫助相關(guān)人員實(shí)時(shí)掌握各項(xiàng)數(shù)據(jù)。此外，應(yīng)用PLC 控制的交流變頻調(diào)速采煤機(jī)，還能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話，一旦設(shè)備發(fā)生故障，控制系統(tǒng)將對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)矩等機(jī)械運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確標(biāo)定故障方位，降低采煤機(jī)運(yùn)作不確定性的同時(shí)，使其更好地應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的工作環(huán)境?？偠灾?，在采煤機(jī)設(shè)備改造過程中，通過在其電氣控制系統(tǒng)中整合運(yùn)用變頻器技術(shù)，能夠有效增加控制形式，即雙電機(jī)控制和一對(duì)一運(yùn)轉(zhuǎn)，以此調(diào)節(jié)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證采煤機(jī)作業(yè)狀態(tài)與效率。其中，采煤機(jī)的變頻控制流程為：設(shè)備啟動(dòng)-硬件初始化-自保條件-是/否-自保輸出（是）/自保不輸出（否）-結(jié)束[3]。

2.3 空壓機(jī)系統(tǒng)方面

空壓機(jī)系統(tǒng)主要應(yīng)用于礦業(yè)等領(lǐng)域，未經(jīng)變頻技術(shù)節(jié)能改造的空壓機(jī)系統(tǒng)，在其啟動(dòng)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)電流過大的情況，而這會(huì)嚴(yán)重破壞該系統(tǒng)設(shè)備的使用年限，為工程項(xiàng)目和企業(yè)帶來較重的設(shè)備維修維護(hù)壓力。因此，在空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造項(xiàng)目中，變頻技術(shù)的運(yùn)用主要目的是減少啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)大電流對(duì)設(shè)備帶來的破壞，進(jìn)而在不影響設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量、效率的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限，降低設(shè)備運(yùn)行損耗，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能降耗等目標(biāo)。在技術(shù)具體應(yīng)用過程中，主要將控制變頻系統(tǒng)應(yīng)用于泵房壓力閉環(huán)，然后檢查系統(tǒng)壓力參數(shù)，按照現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與改造規(guī)范判斷空壓機(jī)各項(xiàng)參數(shù)是否符合要求，然后再進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。通過這一節(jié)能改造舉措，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部壓力的變化進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)與判斷，依托于內(nèi)部壓力的自我調(diào)節(jié)保證系統(tǒng)內(nèi)壓力處理合理范疇，整體更加穩(wěn)定。以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)壓風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整形式具有調(diào)整速度快、精度高等特點(diǎn)，能夠?yàn)榭諌簷C(jī)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提供保障與支持。

以某空壓機(jī)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目為例，改造前，設(shè)備運(yùn)行期間的三項(xiàng)電壓（U3in）為（380-415）V±10%，五項(xiàng)電壓（U5in）為（380-500）V±10%，由DTC控制，即直接轉(zhuǎn)矩控制，輸出頻率在0Hz-±300Hz 之間。在運(yùn)用變頻技術(shù)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，主要增設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換模塊、PLC 控制設(shè)備以及觸摸屏，選定的控制對(duì)象為儲(chǔ)氣罐壓力。通過這一系統(tǒng)組成，可通過壓力變送器SP 對(duì)儲(chǔ)氣罐壓力P 進(jìn)行采集，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后由PLC 自整定控制儀接收。待信號(hào)接收完畢后，將其與觸摸屏壓力設(shè)定值SV 進(jìn)行對(duì)比分析，按照既定的PID 控制模式對(duì)比結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，以此為基礎(chǔ)形成控制信號(hào)，送往變頻器，使其能夠通過科學(xué)、準(zhǔn)確的對(duì)比分析與計(jì)算結(jié)果對(duì)電機(jī)工作頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行控制，以此縮小實(shí)際壓力參數(shù)P 與設(shè)定壓力值SV 之間的差距，使前者不斷接近后者。通過有機(jī)整合壓力傳感器、變頻器和PID 自整定控制儀，能夠圍繞空壓機(jī)變頻控制構(gòu)成供氣閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)輸出壓力的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，提高設(shè)備利用率的均等性，提升系統(tǒng)管道壓力與整體的穩(wěn)定可靠性，減少設(shè)備能耗與消耗，便于作業(yè)期間設(shè)備的自動(dòng)化控制與后續(xù)運(yùn)行維護(hù)。而且，通過以變頻技術(shù)為核心構(gòu)建供氣閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠促使空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)一拖三變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行，強(qiáng)化系統(tǒng)內(nèi)部壓力的穩(wěn)定性，確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全高效性。在該節(jié)能改造項(xiàng)目中，相較于未經(jīng)節(jié)能改造的空壓機(jī)的用電量投入，換算為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)共節(jié)省50 余萬(wàn)（每年），同時(shí)還優(yōu)化了設(shè)備啟動(dòng)方式，改進(jìn)了設(shè)備的保護(hù)功能，有效優(yōu)化空壓機(jī)設(shè)備的防自行啟動(dòng)保護(hù)、超壓保護(hù)、工作環(huán)境等，而且變頻空壓機(jī)工作流程簡(jiǎn)化，各環(huán)節(jié)運(yùn)行鮮明，使用觸摸屏即可完成對(duì)各個(gè)設(shè)備及參數(shù)的有效控制，有效提升工作效率與安全性[4]。

2.4 電機(jī)車方面

對(duì)于電機(jī)車節(jié)能改造而言，主要是對(duì)電阻調(diào)速這種方法進(jìn)行優(yōu)化改造，這是因?yàn)樽鳛槌Ｒ?、常用的機(jī)電設(shè)備，尤其是應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域，常作為井下架線電機(jī)車使用，在電阻調(diào)速的情況下，將給設(shè)備帶來巨大的電能消耗，但投入的電能利用率相對(duì)較低，存在明顯、嚴(yán)重的電力能源浪費(fèi)情況，不僅容易發(fā)生安全事故，整體技術(shù)性能也較為低下，不利于工程項(xiàng)目以及企業(yè)經(jīng)濟(jì)最大化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也給維修人員帶來較大的工作壓力。因此，針對(duì)使用電阻調(diào)速的電機(jī)車，在其節(jié)能改造時(shí)主要運(yùn)用變頻技術(shù)使其轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髯冾l調(diào)速電動(dòng)機(jī)，利用直流傳動(dòng)向交流傳動(dòng)的轉(zhuǎn)變，依托于專業(yè)設(shè)備將其逆轉(zhuǎn)為頻率和電壓，然后通過對(duì)電壓、頻率、交流的合理調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)牽引電機(jī)的改造目標(biāo)，減少電力能源的投入與浪費(fèi)，提高能源利用率的同時(shí)提升設(shè)備運(yùn)行效率、質(zhì)量。

在運(yùn)用變頻技術(shù)開展電機(jī)車的節(jié)能改造作業(yè)時(shí)，主要通過變頻技術(shù)與DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）技術(shù)的結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車牽引能力的有效強(qiáng)化，優(yōu)化設(shè)備操作、提高設(shè)備動(dòng)力的同時(shí)，減少電力能源消耗。經(jīng)變頻節(jié)能改造后的電機(jī)車，無論是電動(dòng)制動(dòng)還是節(jié)能改造，均可以在其下坡時(shí)內(nèi)部電機(jī)發(fā)電狀態(tài)的發(fā)揮予以完成。以某煤礦工程為例，原本其井下架線使用的電機(jī)車采用的調(diào)速方式為電阻調(diào)速，2 臺(tái)22kW，通過落實(shí)變頻技術(shù)與DTC 技術(shù)，2 臺(tái)設(shè)備的平均電量節(jié)省約30%左右，節(jié)能改造效果顯著，不僅減少了設(shè)備運(yùn)行期間不必要的電能浪費(fèi)，還改善了設(shè)備的安全可靠性，強(qiáng)化了機(jī)電設(shè)備的整體安全性能，滿足企業(yè)對(duì)設(shè)備作業(yè)成本的控制需要。

3 變頻技術(shù)在機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造中的應(yīng)用分析

機(jī)電設(shè)備作為大多數(shù)領(lǐng)域、行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)備，技術(shù)人員往往會(huì)采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備加以優(yōu)化，以此提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益與安全穩(wěn)定性。但是在機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造過程中，存在明顯的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問題與設(shè)計(jì)合理問題，因此，針對(duì)變頻技術(shù)在機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造中的應(yīng)用，應(yīng)做好以下內(nèi)容：

3.1 基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完善設(shè)計(jì)方案

為有效強(qiáng)化機(jī)電設(shè)備的變頻技術(shù)節(jié)能改造技術(shù)方案，促進(jìn)各項(xiàng)成本、技術(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)人員、操作人員等應(yīng)共同改造設(shè)計(jì)方案，比如圍繞暖風(fēng)變頻設(shè)備開展節(jié)能改造工作時(shí)，應(yīng)對(duì)當(dāng)前工程項(xiàng)目以及使用區(qū)域的實(shí)際狀況進(jìn)行全面調(diào)研與分析，確保技術(shù)方案滿足實(shí)際使用需要。除此之外，開展變頻設(shè)備送風(fēng)區(qū)域的節(jié)能改造設(shè)計(jì)時(shí)，為進(jìn)一步控制機(jī)電設(shè)備運(yùn)行期間產(chǎn)生的各項(xiàng)能源損耗，應(yīng)盡可能落實(shí)單風(fēng)道送風(fēng)模式，或是采用封閉式循環(huán)模式，從而避免不必要的能源浪費(fèi)，保證機(jī)電設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量、效率的同時(shí)，提高其能源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色減排等優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)[5]。

3.2 設(shè)計(jì)能源回收裝置

機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中往往會(huì)出現(xiàn)較多余熱，比如煤礦工程中的煤礦機(jī)電設(shè)備，在缺乏余熱利用意識(shí)的情況下，這些能量通常直接被忽視、被浪費(fèi)掉。因此，在對(duì)機(jī)電設(shè)備開展變頻節(jié)能改造工作時(shí)，可以立足于設(shè)備實(shí)際設(shè)計(jì)能源回收裝置，比如變頻設(shè)備余熱整合裝置等，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備余熱的及時(shí)、充分回收，并將其應(yīng)用于熱量傳遞等方面，依托于機(jī)電設(shè)備余熱的充分運(yùn)用，滿足設(shè)備溫度調(diào)控、能源節(jié)約、能源利用目標(biāo)等方面的需求，促進(jìn)機(jī)電設(shè)備變頻節(jié)能改革，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

4 結(jié)論

綜上所述，新時(shí)期下，節(jié)能環(huán)保、綠色減排等理念廣泛覆蓋于各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)電設(shè)備作為大多數(shù)企業(yè)、領(lǐng)域生存發(fā)展的基礎(chǔ)，普遍存在能耗大、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等情況。因此，為確保節(jié)能目標(biāo)得以良好實(shí)現(xiàn)，應(yīng)深入研究變頻技術(shù)在機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造中的應(yīng)用，積極開展節(jié)能創(chuàng)新探索，尤其是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)車設(shè)備、空壓機(jī)系統(tǒng)、采煤機(jī)設(shè)備等方面的節(jié)能改造，以此降低設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)成本，促進(jìn)相關(guān)企業(yè)與領(lǐng)域的健康發(fā)展。