變頻調(diào)速器與節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)

肖珂　楊節(jié)方

摘 要：本文首先闡述了變頻調(diào)速技術(shù)，之后分別探討了變頻調(diào)速與風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能、環(huán)境保護(hù)之間的作用關(guān)系，最后針對(duì)變頻調(diào)速器在工業(yè)生產(chǎn)、家用電器中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)探究，希望相關(guān)建議能夠進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)變頻調(diào)整技術(shù)的健康發(fā)展，為節(jié)能環(huán)保事業(yè)做出積極貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速器 節(jié)約能源環(huán)境保護(hù)

Variable Frequency Governor and Energy Conservation and Environmental Protection

Xiao Ke，Yang Jiefang

Abstract：This paper first expounds the variable frequency speed regulation technology， then discusses the functional relationship between variable frequency speed regulation， fan and water pump energy saving and environmental protection， and finally probes into the application of variable frequency governor in industrial production and household appliances， hoping that the relevant suggestions can further promote the healthy development of variable frequency adjustment technology in China， and make positive contributions to energy conservation and environmental protection.

Key words：variable frequency governor， energy conservation and environmental protection

1 引言

伴隨著變頻器性能的日益完善，不僅要實(shí)現(xiàn)更高程度的主控一體化、裝置小型化、和裝置設(shè)備專(zhuān)用化。在節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)方面，也將表現(xiàn)更大的作用價(jià)值與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，力爭(zhēng)為我國(guó)工業(yè)制造領(lǐng)域和節(jié)能環(huán)保事業(yè)做出更多積極貢獻(xiàn)。

2 變頻調(diào)速器

所謂變頻調(diào)速器，是將三相工頻（50Hz）和任意電源變換成三相電壓、頻率均可調(diào)的交流電源。之后，將其應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在一套交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，主要由變頻調(diào)速器、驅(qū)動(dòng)器交流電動(dòng)機(jī)和控制器三個(gè)部分共同組成。變頻調(diào)速器作為其中的核心設(shè)備，其主要作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電壓和頻率之間的平滑變化。與以往的調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、滑差調(diào)速和液力耦合器調(diào)速相比，變頻調(diào)速是大家一致公認(rèn)的最理想、最有具發(fā)展前景的調(diào)速方案。從變頻調(diào)速器誕生發(fā)展至今，在三十多年的時(shí)間時(shí)里，已經(jīng)在鋼鐵、冶金、石油、化工、化纖、造紙、橡膠、塑料、電力、水務(wù)等領(lǐng)域內(nèi)均得到了廣泛應(yīng)用。在其實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，除了具有非常卓越的調(diào)速性能之外，還發(fā)揮著非常顯著的節(jié)能環(huán)保作用。因此，變頻調(diào)速器在企業(yè)技術(shù)改造、工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品更新?lián)Q代中具有極高的使用率和推廣價(jià)值[1]。

3 變頻調(diào)速與節(jié)約能源

3.1 緩解供電需求矛盾

根據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，2002年我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到319億kW，年發(fā)電量達(dá)到13466億kWH。這一發(fā)電規(guī)模暫列世界第二位。即便如此，我國(guó)人均用電量卻排在世界倒數(shù)位置。而且伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求量也面臨著同步提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)8%，需要電能供應(yīng)量增長(zhǎng)11%，尤其到了夏季，持續(xù)高溫還會(huì)進(jìn)一步加大部分省市供電緊張局面，有些地區(qū)迫于無(wú)奈，只能采取拉閘限電措施，還有一些地區(qū)由于電網(wǎng)負(fù)載過(guò)大，導(dǎo)致局部供電系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，無(wú)形之中加大了用電安全隱患。鑒于上述情況，有必發(fā)將變頻高速技術(shù)及相關(guān)設(shè)備引進(jìn)到供電系統(tǒng)當(dāng)中，達(dá)到節(jié)能能源、資源合理分配、提高供電質(zhì)量等目的，促進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ钯|(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的雙向發(fā)展[3]。

3.2 風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速節(jié)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量憶達(dá)到4.5億kW，約消耗掉全國(guó)65%發(fā)電量。通過(guò)這一組數(shù)據(jù)可以看，如果能夠引進(jìn)有效的電動(dòng)機(jī)節(jié)電措施，勢(shì)必可以大幅降低電能消耗。目前，電機(jī)節(jié)能主要存在以下二個(gè)途徑：第一，提高電機(jī)自身效率的同時(shí)，使其能夠長(zhǎng)期高效運(yùn)行，這一途徑主要應(yīng)用于恒速機(jī)械;第二，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度，使電機(jī)可以在最佳節(jié)能狀態(tài)下轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)階段，風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中使用量最大、使用率最高的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其總電機(jī)容量約達(dá)1.5億，可消耗全國(guó)發(fā)電量35%左右。其中，約有20%-30%風(fēng)機(jī)水泵面臨著調(diào)速需求。在滿足風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速需求時(shí)，變頻調(diào)速是最佳節(jié)能方案。它主要憑借流體理論以及離心式風(fēng)機(jī)水泵軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方這一函數(shù)關(guān)系達(dá)到節(jié)能目的。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，消耗功率會(huì)同步下降，以50%轉(zhuǎn)速為例，軸機(jī)械功率只有12.5%。當(dāng)然，風(fēng)機(jī)水泵流量調(diào)節(jié)還存在其它方式，大體可以歸結(jié)為以下三種類(lèi)型：第一種，采用傳統(tǒng)機(jī)械方法對(duì)風(fēng)機(jī)擋板、導(dǎo)流器以及水泵閥門(mén)開(kāi)啟度進(jìn)行調(diào)節(jié);第二種，采用電磁轉(zhuǎn)差離合器或液力耦合器對(duì)風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié);第三種，采用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速手段。此外，還應(yīng)當(dāng)針對(duì)大容量高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)，進(jìn)行高壓變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用。因?yàn)樵诠?jié)電率百分比相同的情況下，通過(guò)運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)，使裝機(jī)容量和節(jié)電效果獲得顯著提升。

3.3 變頻器功率因數(shù)補(bǔ)償作用

通過(guò)電路分析基本理論可以得知，在供電線路當(dāng)中，由于無(wú)功功率的存在會(huì)導(dǎo)致線損的增加。而且在變壓器額定容量不變的情況下，系統(tǒng)功率因數(shù)的下降，會(huì)導(dǎo)致有功功率的減少，這也就意味著變壓器帶載能力受到影響，呈現(xiàn)出大幅降低的態(tài)勢(shì)。根據(jù)“有功功率=視在功率×功率因數(shù)”這一電工學(xué)基本公式可以得出以下結(jié)論：變壓器視在功率一定的情況下，當(dāng)功率因數(shù)增大時(shí)，輸出有功功率也會(huì)同步增大。如果是不采用變頻高速器的普通電機(jī)，其功率因數(shù)只能達(dá)到0.6-0.8的水平，由此加大無(wú)功電流的生成量，從而造成電能資源的浪費(fèi)。然而，當(dāng)水泵電機(jī)受到變頻調(diào)速控制以后，由于受到變頻器內(nèi)部采用大容量濾波電容的作用，水泵電機(jī)功率因數(shù)可達(dá)到接近于“1”的水平。這就無(wú)疑降低了水泵電機(jī)對(duì)無(wú)功功率的占用，從而使電網(wǎng)有功功率負(fù)荷以及變壓器帶載能力獲得顯著提升[3]。

3.4 變頻器軟啟動(dòng)功能可降低成本

如果三相異步電機(jī)采用的是直接啟動(dòng)或者星三角降壓式啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流可達(dá)到額定電流4-7倍，從而實(shí)現(xiàn)瞬間啟動(dòng)。但是，由于啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大，必然會(huì)對(duì)水泵電機(jī)和供電網(wǎng)絡(luò)造成較大沖擊。為了緩解這一問(wèn)題，需要給電網(wǎng)變壓器設(shè)置足夠的富裕容量。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，從而使水泵設(shè)備、管道壽命、部件性能等主面均構(gòu)成嚴(yán)重威脅。針對(duì)這一弊端問(wèn)題，可以給水泵加裝變頻器，使其通過(guò)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式也被稱(chēng)之為軟啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流是從零開(kāi)始逐漸增加，而電機(jī)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不存在陡升波頭，當(dāng)電流到達(dá)設(shè)定值時(shí)，便開(kāi)始趨于穩(wěn)定。在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，基本上不會(huì)對(duì)供電網(wǎng)構(gòu)成任何沖擊，對(duì)于供電容量也不存在任何裕量要求，從而有效延長(zhǎng)了電機(jī)、水泵、管路設(shè)備的使用壽命和使用安全，使設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、人工成本均得到有效控制[4]。

4 變頻調(diào)速與環(huán)境保護(hù)

首先，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)消耗掉大量電能。而電能消耗，還會(huì)同步消耗掉大量煤炭、石油、天然氣資源。與此同時(shí)地，還會(huì)排放出大量CO2和NO2，直接造成污染環(huán)境，使壞臭氧層遭到破壞，空氣質(zhì)量大幅下降。伴隨人們環(huán)保意識(shí)的日益提升，保護(hù)人類(lèi)生存環(huán)境已經(jīng)成為全世界人民的共同呼聲，更是各行各類(lèi)不可推卸的社會(huì)職責(zé);此外、據(jù)估計(jì)，電氣產(chǎn)品所帶來(lái)的環(huán)境污染約占所有污染源的30%左右。而伴隨著家用電器的全面普及，各類(lèi)電氣產(chǎn)品的大量應(yīng)用，如何節(jié)省電能，減少資源浪費(fèi)已經(jīng)成為全社會(huì)，乃至全人類(lèi)共同面對(duì)的重要課題。然而，以往的技術(shù)實(shí)踐證明，將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵當(dāng)中，可收獲20%-30%的節(jié)電率，從而減少火電廠發(fā)電量以及煤炭、石油、天然氣等資源的消耗量，更大幅降低S02、SO、CO2等空氣污染物排放量，極大的緩解了空氣污染。例如使用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行機(jī)車(chē)牽引，可以大減少煤炭、石油的使用量，同時(shí)降低氣體排放污染;另外，伴隨地鐵、輕軌、磁懸浮列車(chē)等城市軌道交通的快速發(fā)展，以及燃料電池汽車(chē)保有量的不斷提升，勢(shì)必大幅減少CO2排放量及能源消耗量?，F(xiàn)如今，國(guó)家正在大力推廣新能源電動(dòng)汽車(chē)，提倡人們使用電動(dòng)自行車(chē)作為日常出行的代步工具，這些新型車(chē)輛均可以實(shí)現(xiàn)自制式變頻調(diào)速，從而減少燃油助力時(shí)的空氣污染，使大氣環(huán)境得到明顯改善。

5 變頻調(diào)速器在工業(yè)制造中的應(yīng)用

以汽車(chē)制造業(yè)為例，變頻調(diào)速器不僅在自動(dòng)化生產(chǎn)線當(dāng)中擁有越來(lái)越高的使用率，還表現(xiàn)非常顯著的應(yīng)用效果。當(dāng)企業(yè)在自動(dòng)化生產(chǎn)線當(dāng)中引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)以后，整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)全部由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，必然會(huì)涉及到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，而直流調(diào)速和交流調(diào)速的兩種方式最為常見(jiàn)。其中，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以存在較大的維修難度，而電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)又存在體積龐大、安裝不便等弊端問(wèn)題。而變頻調(diào)速器不僅構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，易于維修養(yǎng)護(hù)，還實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的節(jié)能性與環(huán)保效益，給企業(yè)節(jié)省了大量能源成本，更使工業(yè)有害氣體排放量得到有效控制。因此，很多擁有自動(dòng)化生產(chǎn)線的汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)都采用變頻調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)效益和節(jié)能環(huán)保水平的整體提升。

6 結(jié)語(yǔ)

近幾年來(lái)，變頻調(diào)速器突出性能已經(jīng)受到各行各業(yè)的一致認(rèn)可。在其今后的發(fā)展中，還將朝著主控一體化、裝置小型化、節(jié)能環(huán)?；?、設(shè)備裝置系統(tǒng)化方面快速發(fā)展。尤其在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境方面，將會(huì)開(kāi)拓出一片更加廣闊的應(yīng)用空問(wèn)。

參考文獻(xiàn)：

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