淺談變頻器在高速公路隧道風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

陳效明

0 引言

在高速公路隧道中風(fēng)機(jī)的使用必不可少，其改善了隧道內(nèi)的空氣環(huán)境，提高了行車安全系數(shù)。隨之而來(lái)的問題是在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間由于啟動(dòng)電流過(guò)大，電網(wǎng)承受著巨大的沖擊，給用電設(shè)備帶來(lái)無(wú)法估計(jì)的危害，甚至?xí)虼嗽斐山煌ㄊ鹿省Ｍ瑫r(shí)，由于風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行引起的巨額電費(fèi)也給國(guó)家?guī)?lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而變頻器作為一種高效節(jié)能的風(fēng)機(jī)變頻器和其較高的性能價(jià)格比，也適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)環(huán)保節(jié)能的主題。

1 變頻器的原理及構(gòu)成

1.1 變頻器的原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。

1.2 變頻器的構(gòu)成

變頻器主要是由主電路、控制電路組成，其中變頻器的主電路大體上可分為電壓型和電流型兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流，直流回路的濾波是電容;電流型是將電流源的直流變換為交流，其直流回路濾波是電感;控制電路也分為電壓控制及電流控制兩種。

1.2.1 變頻器的主電路部分

主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，由三部分構(gòu)成:1)將工頻電源變換為直流功率的“整流器”。2)吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”。3)將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。

1 )整流器:目前大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。2)平波回路:在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓(電流)。3)逆變器:同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到三相交流輸出。

1.2.2 變頻器的控制電路部分

控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電(電壓、頻率可調(diào))的主電路提供控制信號(hào)的回路，它由頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。

1 )運(yùn)算電路:將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。2)電壓、電流檢測(cè)電路:與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。3)驅(qū)動(dòng)電路:驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。4)速度檢測(cè)電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器(tg，plg等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。5)保護(hù)電路:檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

2 變頻器在隧道風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

2.1 降低啟動(dòng)電流

采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，將風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下。用工頻電源直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流為6倍～7倍，因此，將產(chǎn)生機(jī)械電氣上的沖擊。采用變頻器傳動(dòng)可以平滑地啟動(dòng)(啟動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng))。啟動(dòng)電流為額定電流的1.2倍～1.5倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%～120%額定轉(zhuǎn)矩;對(duì)于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載啟動(dòng)。這樣的啟動(dòng)方式，大大的減少由于啟動(dòng)電流過(guò)大而造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)上級(jí)變壓器及開關(guān)設(shè)備的壽命。

2.2 調(diào)速特點(diǎn)及節(jié)能分析

風(fēng)機(jī)的流量變化與轉(zhuǎn)速成正比，壓力變化與轉(zhuǎn)速成正比，而功率變化與轉(zhuǎn)速變化立方成正比。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，風(fēng)量減少，電機(jī)功率成立方比下降。變頻器正是通過(guò)調(diào)速，控制風(fēng)量大小，從而達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)效率，節(jié)約電能的效果。具有以下特點(diǎn):1)啟動(dòng)停止平衡，無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。2)工作可靠，能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。3)操作簡(jiǎn)便，維護(hù)量小。4)輸出特性可滿足風(fēng)機(jī)性能要求。5)節(jié)能效果顯著。6)平滑啟動(dòng)及轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械磨損減小，故障率下降，減少了停機(jī)、延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)及其他電氣設(shè)備的壽命。

2.3 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制

變頻器的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由中央控制中心、“數(shù)據(jù)鏈”及數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、呼叫應(yīng)答系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)組成。中央控制中心收集并儲(chǔ)存由“數(shù)據(jù)鏈”及數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)傳回的終端運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，并由值班人員實(shí)時(shí)監(jiān)控各終端的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)預(yù)警的目的。

3 變頻器在隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果

我們以西漢高速朱家埡隧道為例，上行線共16臺(tái)風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定功率為30 kW。

1)未使用變頻器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

未使用變頻器每年耗電量(全年運(yùn)行330 d計(jì)):

2 )使用變頻器后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

使用變頻器后每年耗電量(全年運(yùn)行330 d計(jì)):

3 )每年節(jié)省的電量:

節(jié)電率:1 176 861÷3 991 680=29.4%。

每年節(jié)約電費(fèi)(按0.6元/度計(jì)):

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的論述，我們可以得到:

1 )變頻器可以降低啟動(dòng)電流，靈活性大，使得風(fēng)機(jī)可軟起軟停、減少設(shè)備機(jī)械沖擊、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、降低設(shè)備的維修費(fèi)用。2)隧道風(fēng)機(jī)采用變頻器軟起調(diào)速，可操作性強(qiáng)、節(jié)能效果明顯、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

［1］ 劉飛龍，夏同豐.長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)選用與優(yōu)化［J］.山西建筑，2010，36(11)：313-314.