低壓變頻調(diào)速電機(jī)的特點(diǎn)和變頻調(diào)速節(jié)能控制應(yīng)用

胡誠(chéng)

【摘要】近年來(lái)，隨著工業(yè)化的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在很多工業(yè)生產(chǎn)中得到了普遍的應(yīng)用，該技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展下節(jié)能環(huán)保的要求，具有高調(diào)速精度、寬調(diào)速范圍等優(yōu)勢(shì)，符合現(xiàn)代化發(fā)展的技術(shù)要求，大大提高了調(diào)速的可靠性，在未來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)還將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。基于此，本文分析了低壓變頻調(diào)速電機(jī)的特點(diǎn)和變頻調(diào)速節(jié)能控制的具體應(yīng)用，有利于促進(jìn)電機(jī)調(diào)速方式的轉(zhuǎn)變。

【關(guān)鍵詞】低壓變頻調(diào)速電機(jī);特點(diǎn);變頻調(diào)速節(jié)能控制;應(yīng)用

近年來(lái)，技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)了很多領(lǐng)域的發(fā)展，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，變頻調(diào)速技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用，該種調(diào)速方式具有較好的節(jié)能效益，在一定程度上突破了傳統(tǒng)調(diào)速方式的局限性，因此，變頻器調(diào)速已成為當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的重要趨勢(shì)。調(diào)速方式的轉(zhuǎn)變?cè)谝欢ǔ潭壬蠝p少了調(diào)速的能源消耗，變頻器的變頻調(diào)速控制具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有利于促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1、變頻專用電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和節(jié)能優(yōu)勢(shì)

以三相異步電動(dòng)機(jī)為例，如果應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，為保障其良好的調(diào)速控制，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要需要考慮以下因素：（1）電機(jī)機(jī)械特性與電源頻率有著緊密的關(guān)系，隨著電源頻率逐步減小，電機(jī)的機(jī)械特性在此情況下呈現(xiàn)逐步左移的變化趨勢(shì)。因此，在電機(jī)的運(yùn)行與控制過(guò)程中，可以應(yīng)用調(diào)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)最大轉(zhuǎn)矩的利用，作為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子槽型能夠在保持整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備匹配選型成本的有效控制。（2）利用變頻器的變頻變壓，能夠?qū)惒诫姍C(jī)調(diào)節(jié)至最佳的運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)而獲得最小滑差、最大效率等參數(shù)。根據(jù)這種運(yùn)行處理效果，可以使得在出力保持恒定的情況下，將額定功率與額定功率因素以最大效率與高功率因素來(lái)替代，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)重量與成本的控制。（3）變頻器的調(diào)頻調(diào)壓功能，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電機(jī)矢量的控制，使得當(dāng)電機(jī)處于一定的氣隙磁場(chǎng)條件時(shí)，可以獲得最小勵(lì)磁電流，進(jìn)而逐步提高電機(jī)的效率與功率因數(shù)，這種控制方式具有明顯的節(jié)能效益。

2、變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和不同負(fù)載的控制

變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)具有調(diào)頻調(diào)壓的便捷性，因此，使得電機(jī)的機(jī)械特性可以在該種條件下保持良好的平移狀態(tài)。隨著電機(jī)機(jī)械特性曲線隨著電源頻率的降低而在坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出左移的變化趨勢(shì)，因此，變頻調(diào)節(jié)控制下，可直接通過(guò)對(duì)最大轉(zhuǎn)矩的利用，將其作為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不僅提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子槽的優(yōu)化與改進(jìn)。綜合來(lái)看，變頻器的變頻變壓控制，在一定程度上提升了電機(jī)的運(yùn)行效率。

由于變頻電機(jī)的應(yīng)用過(guò)程中，存在使用情況的差異性，綜合來(lái)看，變頻電機(jī)所帶負(fù)載一般包含了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（刮板機(jī)，輸送機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等）、恒功率負(fù)載（車(chē)床，鉆床，磨床，打卷機(jī)等）和平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載（風(fēng)機(jī)水泵類）等類型。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載情況下，速度變化對(duì)于轉(zhuǎn)矩本身的影響相對(duì)較小，在此種狀態(tài)下，變頻器最佳的工作狀態(tài)處于基頻以下運(yùn)行狀態(tài)下，此時(shí)，一般要通過(guò)恒磁通調(diào)壓調(diào)速控制，來(lái)保障變頻器的輸出特性、運(yùn)行等能夠符合負(fù)載的實(shí)際需求。恒功率負(fù)載的情況下，速度變化對(duì)于轉(zhuǎn)矩有著明顯的影響，二者呈現(xiàn)出反方向變化的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速越大時(shí)，其轉(zhuǎn)矩越小，此時(shí)的電機(jī)工作頻率一般處于基頻以上的運(yùn)行狀態(tài)下，此時(shí)，一般通過(guò)恒壓調(diào)速的方式，來(lái)使得其機(jī)械特性可以與變頻器的輸出特性保持一致。平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正方向變化的關(guān)系，此時(shí)，電機(jī)運(yùn)行一般處于基頻以下，要避免其工作頻率超過(guò)工頻的現(xiàn)象，否則會(huì)引發(fā)變頻器與電機(jī)的過(guò)載情況。

3、應(yīng)用實(shí)例

以某軋鋼廠加熱爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造工程為例，風(fēng)機(jī)及其電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下：（1）風(fēng)機(jī)參數(shù)。風(fēng)機(jī)型號(hào)：9-1916D;風(fēng)量：26378-63307m3/h;全壓：1820Pa;轉(zhuǎn)速：730r/min。（2）電動(dòng)機(jī)參數(shù)。電機(jī)型號(hào)：JS147-4;額定功率：360kW;額定電壓：6kV;額定電流：42A;功率因數(shù)：0.88;電動(dòng)機(jī)效率：95%。

3.1風(fēng)機(jī)改造前狀況

在該系統(tǒng)內(nèi)所采用的風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)類型，全壓?jiǎn)?dòng)，在風(fēng)量的調(diào)節(jié)過(guò)程中，主要是通過(guò)出口閥門(mén)開(kāi)口的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在該系統(tǒng)內(nèi)，包含了兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，一臺(tái)是系統(tǒng)運(yùn)行中所使用的，而另一臺(tái)為備用。風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，由異步電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)，在起動(dòng)過(guò)程中，為全壓起動(dòng)的狀態(tài)，在起動(dòng)過(guò)程中，所產(chǎn)生的電流相對(duì)較大，該電流會(huì)影響車(chē)間電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，再加上其轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，在一定程度上對(duì)軸承產(chǎn)生了一定的沖擊，因此，在這種運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)極易出現(xiàn)各種故障，比如，電機(jī)燒損極為常見(jiàn)，使得在電機(jī)的維修等方面的成本消耗相對(duì)較高。由于該系統(tǒng)的特殊性，應(yīng)用鋼種與燃?xì)獾龋矡o(wú)法達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果，存在能源的浪費(fèi)，不利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，將其改造為變頻節(jié)能調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)成本的控制，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.2變頻調(diào)速改造動(dòng)力線路圖

變頻調(diào)速改造線路如圖1所示，在具體的改造過(guò)程中，其線路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有實(shí)施的可行性與便捷性。

3.3節(jié)能效果的估算

從流體力學(xué)的角度來(lái)看，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率等存在著緊密的關(guān)系：（1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變的情況下，流量與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出正向變化的關(guān)系;（2）風(fēng)機(jī)壓頭與轉(zhuǎn)速的平方也呈現(xiàn)正向變化的關(guān)系;（3）風(fēng)機(jī)電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速立方呈現(xiàn)出同方向變化的關(guān)系。因此，基于這些關(guān)系，在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低，電動(dòng)機(jī)輸出功率也逐步減小。

如果在該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的方式，電動(dòng)機(jī)輸出功率與功率因數(shù)為正比，功率因數(shù)隨著輸出功率的減小而降低，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，其功率因數(shù)為0.85，如果按照余量10%、電動(dòng)機(jī)額定功率360kW，引風(fēng)機(jī)的額定軸功率為324kW。而工作電流為27A，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間T=8760h，在這種情況下，電動(dòng)機(jī)消耗功率P= UI工cosφ=238.221（kW），年消耗電量為E變閥門(mén)=P×T=2086815.96（kWh）。

如果在該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用變頻調(diào)節(jié)的方式，其風(fēng)機(jī)閥門(mén)開(kāi)度57.81%，風(fēng)量Q=70%，電機(jī)消耗功率P變頻=PQ3=123.48（kW），年耗電量E變頻=P變頻×T=1081684.8（kWh），大大節(jié)約了電能消耗。

圖1? 變頻調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)力線路圖

3.4風(fēng)機(jī)改造后運(yùn)行狀況

在改造以后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，故障率大大降低。

結(jié)語(yǔ)：

近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻調(diào)速控制得到了普遍的應(yīng)用，該種控制方式具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與節(jié)能效益，不僅保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)成本的控制，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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