變頻節(jié)能技術(shù)在節(jié)能環(huán)保中的應(yīng)用

摘 要：伴隨我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和科技的進(jìn)步，電力技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，特別是在當(dāng)前變頻技術(shù)快速發(fā)展的大前提下，變頻技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用得越來越廣泛。在現(xiàn)代電力行業(yè)中，變頻技術(shù)具有良好的調(diào)速性能和節(jié)能環(huán)保效果，對促進(jìn)我國工業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。一般情況下，變頻技術(shù)是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要組成元素，在人們的日常生活和工作中起著非常重要的作用。筆者結(jié)合多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，分析變頻技術(shù)在我國節(jié)能環(huán)保工作中的具體應(yīng)用，為進(jìn)一步促進(jìn)變頻技術(shù)的快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；節(jié)能環(huán)保；電力行業(yè)；應(yīng)用

中圖分類號：TF351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）11-0183-02

前 言

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界各國已經(jīng)逐漸意識到節(jié)能環(huán)保在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性，綠色環(huán)保、自動(dòng)化、智能和安全理念已經(jīng)深入人心，變頻技術(shù)已經(jīng)不僅僅是一個(gè)控制機(jī)器和設(shè)備的簡單技術(shù)，變頻技術(shù)更重要的功能是其具有智能化和人性化的現(xiàn)代化控制理論，已經(jīng)在各行各業(yè)中得到了普及和推廣。在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，電力行業(yè)具有舉足輕重的作用。然而，當(dāng)前人們對電力的需求和使用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了電力網(wǎng)的承受能力，導(dǎo)致我國很多地區(qū)電力系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。通過分析上述不正常現(xiàn)象，表明我國當(dāng)前電力系統(tǒng)處于供需不平衡的狀況，制約著我國經(jīng)濟(jì)的繼續(xù)發(fā)展。現(xiàn)階段，我國電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量有5×108kW按一半為泵類負(fù)載、風(fēng)機(jī)來計(jì)算，即2.5×108kW。如若采取科學(xué)的節(jié)能措施，對其中40%的電能進(jìn)行變頻調(diào)能節(jié)速改造，就可以節(jié)約大概l×108kW·h的電能?，F(xiàn)階段，我國使用的變頻器總?cè)萘看蟾艦椋?.0～1.5）×l08kW。由此可見，我們國家潛在的變頻器的應(yīng)用前景非常好。泵類、風(fēng)機(jī)負(fù)載采取變頻調(diào)速之后，它們的節(jié)電率可以達(dá)到25～65%左右，這是由于泵類、風(fēng)機(jī)負(fù)載的耗電功率基本和轉(zhuǎn)速三次方成一定比例，而其轉(zhuǎn)速與實(shí)際流量也成一定比例。在電力用戶的平均流量相對較小時(shí)，泵類、風(fēng)機(jī)采取變頻調(diào)速促使機(jī)器的轉(zhuǎn)速降低，以此達(dá)到的節(jié)能效果非常明顯。以節(jié)能環(huán)保為主要目的變頻技術(shù)在最近幾年發(fā)展的速度非?？?，得到了人們推崇和認(rèn)可，占據(jù)著主要的變頻市場。根據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我們國家已經(jīng)進(jìn)行變頻調(diào)速改造的泵類、風(fēng)機(jī)負(fù)載的容量大約占據(jù)總?cè)萘康?%以上，每年大約可以節(jié)省4×1010kW·h電能。因?yàn)閴嚎s機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵在采取變頻調(diào)速之后，就可以節(jié)約大量的電力能源，我們就可以在短短的時(shí)間內(nèi)節(jié)約大量的能源，所以，在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域中，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用得非常廣泛。采取變頻技術(shù)，可以節(jié)約大量的電力能源，并且產(chǎn)生更大的社會效益，比如將變頻技術(shù)利用在鍋爐上后，除了可以節(jié)能環(huán)保外，因?yàn)槿紵姆浅３浞?，就可以大量?jié)省燃料，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

1 變頻技術(shù)的降耗節(jié)能原理

現(xiàn)代自動(dòng)化工廠要實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)化，就少不了一系列的設(shè)備：控制器是大腦，機(jī)器人是執(zhí)行者，伺服電機(jī)是肌肉，變頻器就是節(jié)能器。不管哪種層次的生產(chǎn)都是需要能源的，大規(guī)模的生產(chǎn)也就意味著巨大的能源消耗，而能源和資源并不是無窮的，那么變頻器就是不可或缺的設(shè)備了。現(xiàn)在的變頻器能實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，減少能量的損耗，例如國產(chǎn)的PI9000系列變頻器，能實(shí)現(xiàn)98%的能量利用率，大大減少了能量的無效損耗，降低工廠生產(chǎn)的成本。

1.1 變頻節(jié)能

基于流體力學(xué)，P=Q×H，其中H表示壓力，Q表示流量，P表示功率，流量Q和轉(zhuǎn)速N的一次方成正比例關(guān)系，壓力H和轉(zhuǎn)速N的平方成正比例關(guān)系，功率P和轉(zhuǎn)速N成正比例關(guān)系。如若水泵的效率固定，那么下調(diào)流量時(shí)，轉(zhuǎn)速N也可以成比例的下調(diào)，此時(shí)，軸輸出功率P也成立方的關(guān)系下調(diào)，也就是水泵電機(jī)的耗電功率和轉(zhuǎn)速近似成立方比的比例關(guān)系。

1.2 功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

一般情況下，無功功率會增加設(shè)備的發(fā)熱和線損，它主要的作用是功率的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的下降，在線路的運(yùn)行過程中，大量的無功電能被消耗，設(shè)備的使用效率非常低，浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。在計(jì)算公式P=S×COS？準(zhǔn)中，Q=S×SIN？準(zhǔn)中，其中COS？準(zhǔn)表示功率因數(shù)，P表示有功功率，S表示視在功率，可以得知COS？準(zhǔn)越大，表示有功功率P值越大，普通水泵電機(jī)的功率因素在0.6～0.7之間，在使用變頻調(diào)速的裝置之后，因?yàn)樽冾l器內(nèi)部濾波電容器的作用，COS？準(zhǔn)≈l，因此減小了無功的損耗，促使電網(wǎng)的有功功率得到增加。

1.3 軟啟動(dòng)節(jié)能

因?yàn)殡姍C(jī)是Y/△或直接啟動(dòng)，啟動(dòng)的電流值大小為4～7倍的額定電流值，因此會對供電電網(wǎng)和其它設(shè)備造成嚴(yán)重的損害，并且還會對電網(wǎng)的容量提出更高的要求，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的震動(dòng)和大電流會對閥門和擋板產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，縮短了管路及設(shè)備的使用壽命。在使用變頻節(jié)能裝置之后，基于變頻器的軟啟動(dòng)功能，使電機(jī)的啟動(dòng)電流從零開始增加，最大值也不會大于額定電流值，極大的降低了對供電容量和對電網(wǎng)的沖擊，延長了閥門和設(shè)備的使用壽命，大大的節(jié)省了設(shè)備的維修費(fèi)用。

2 風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能環(huán)保分析

2.1 變頻意義

過往，水泵和風(fēng)機(jī)都是利用異步電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)工作的，轉(zhuǎn)速保持恒定狀態(tài)，在需要流量或風(fēng)量發(fā)生改變時(shí)，通常采取調(diào)節(jié)節(jié)流閥和擋風(fēng)板等措施來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的效果。采取這種控制方式，即使能滿足發(fā)展和生產(chǎn)的需求，但是從節(jié)能環(huán)保的角度來說，這種做法是非常不科學(xué)的，并且采取控制轉(zhuǎn)速的方法在過去的控制方式中是非常少見的。在以往，工廠的生產(chǎn)設(shè)備都是長期處于轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，保持不停機(jī)的狀態(tài)，促使設(shè)備維持在恒定功率狀態(tài)下長時(shí)間的運(yùn)行。在這種情況下，機(jī)器設(shè)備有很大部分時(shí)間是處于低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，只有在極少的時(shí)間內(nèi)，功率和流量才可以被正常使用。被浪費(fèi)的電力資源大約占到50%左右。在這種情況下，如果采取變頻調(diào)速技術(shù)，對水泵電機(jī)、風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，以此來調(diào)控流量和轉(zhuǎn)速，促進(jìn)能源使用效率的提升，從根本上提升生產(chǎn)效率。

2.2 風(fēng)機(jī)節(jié)能舉例

在此，筆者以某一個(gè)工廠爐底風(fēng)機(jī)的散熱控制系統(tǒng)為例進(jìn)行研究。冶煉爐會根據(jù)材料的差異設(shè)計(jì)相應(yīng)的爐底冷卻溫度，以此來滿足適應(yīng)期間生產(chǎn)必須的冷卻風(fēng)量，通常設(shè)計(jì)的滿足最大冷卻風(fēng)量是4臺18kW的四級葉輪式風(fēng)機(jī)。通常情況下，這4臺風(fēng)機(jī)都會同時(shí)開啟，以此來確保風(fēng)量的正常供應(yīng)，然而工廠一般都不需要最大的冷卻風(fēng)量，因此，這種方式下的功率浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重。依據(jù)冶煉材質(zhì)的不一樣，有些時(shí)候需要對著打開一對風(fēng)機(jī)，某些時(shí)候需要對著打開兩對風(fēng)機(jī)，某些時(shí)候需要側(cè)著打開一臺風(fēng)機(jī)。但是，在這個(gè)過程中，冷卻不均勻帶來的麻煩就會變得顯而易見。如若四臺風(fēng)機(jī)全部打開，那么可以調(diào)節(jié)擋風(fēng)板，以此來控制風(fēng)量的大小，然而這種操作方式對電能的消耗也是非常大的。如若采取科學(xué)的措施，對其中的兩臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，那么使一對風(fēng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，另外兩臺風(fēng)機(jī)也必須依據(jù)不同的材質(zhì)需求進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，這樣的操作方法既可以完成不同材料對溫度的控制要求，還可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，節(jié)能環(huán)保的效果非常明顯。

2.3 水泵節(jié)能舉例

水泵節(jié)能和風(fēng)機(jī)節(jié)能的原理類似。本文以某個(gè)洗浴中心為案例進(jìn)行研究，該洗浴中心的中央空調(diào)冷水機(jī)組水系統(tǒng)有55kW的冷卻泵和90kW冷凍泵，水泵電機(jī)通常是線性恒功率輸出，主機(jī)制冷是依據(jù)溫度的變化而進(jìn)行操控的，屬于非線性負(fù)荷。55kW的冷卻泵通過閥門來控制流量，以此來滿足控制主機(jī)溫度的要求，但是電機(jī)的節(jié)能環(huán)保水平一直都是處于一個(gè)較低的狀態(tài)，也就是閥門在全部都關(guān)閉的狀態(tài)下，電流只可以處于97～107A之間動(dòng)態(tài)變化。如若利用溫控系統(tǒng)對水泵的電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)變頻控制，則水泵的節(jié)電量可以達(dá)到30%左右，同樣的道理，冷凍泵經(jīng)過變頻調(diào)速的操作之后，節(jié)約的電力資源可以達(dá)到30以上。

3 變頻技術(shù)在節(jié)能環(huán)保方面的應(yīng)用前景

現(xiàn)階段，變頻技術(shù)在節(jié)能環(huán)保方面具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景，它的主要優(yōu)點(diǎn)包括：①無振蕩，無噪音，是其它普通電動(dòng)機(jī)無法比擬的。②起制動(dòng)性能好——普通電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電流會達(dá)到額定電流的5倍，對于電機(jī)的沖擊和振蕩比較嚴(yán)重，而變頻器可以對其頻率，電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同步啟動(dòng)，啟動(dòng)的電流控制在額定電流以內(nèi)，升速平穩(wěn)，停車時(shí)間也比普通電動(dòng)機(jī)較快。③加工方便，適應(yīng)性強(qiáng)——變頻器的電箱是電子元件組成的，裝配方便，并且其可以適應(yīng)不同的電路，只需要按照不同的功率來給設(shè)備分配電量。④適應(yīng)性好，變頻器一改電動(dòng)機(jī)根據(jù)頻率，電壓，功率選擇的難度，只需要對功率進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)對電壓、頻率的無級調(diào)節(jié)，適應(yīng)各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)需求。⑤效率非常高，相比于傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)方案，電-機(jī)-電的轉(zhuǎn)換，變頻器在其中僅僅作為電能的參與變化，也就是交流變成直流，再變成交流，它的利用效率可以達(dá)到驚人的95%以上。如果保持這種狀態(tài)長期運(yùn)行下去，取得的效果會更加顯著。變頻器的主要弱點(diǎn)為：線路比較復(fù)雜，維護(hù)相對困難，電子元件的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步的提高等。由此可以得到，變頻節(jié)能技術(shù)的前景市場還是非常廣闊的。

4 結(jié) 語

綜上所述，變頻技術(shù)因?yàn)榫哂袩o級調(diào)速、特性硬、精度高、范圍大和效率高的優(yōu)點(diǎn)，在行業(yè)內(nèi)各種交直流變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是節(jié)能環(huán)保技術(shù)方面，變頻技術(shù)的應(yīng)用必將逐步擴(kuò)大。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，變頻技術(shù)還可以進(jìn)一步的改善自動(dòng)化技術(shù)，取得更好的節(jié)能環(huán)保效果。

參考文獻(xiàn)

[1]張鵬飛.變頻技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2013（09）：119～121.

[2]李高峰.煤礦機(jī)電設(shè)備中變頻技術(shù)的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（02）：210+213.

[3]田樹河.試論變頻技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（12）：52～53.

收稿日期：2018-3-15

作者簡介：徐祖安（1980-），男，廣西玉林玉州人，助理工程師，本科，主要從事鑄造設(shè)備維護(hù)維修工作。