變頻及軟啟動節(jié)能分析
摘 要:本文介紹了用電設(shè)備的能耗現(xiàn)狀和構(gòu)成,通過計算詳細闡述了變頻和軟啟動的節(jié)能原理。并列舉變頻器在風機和水泵控制中的節(jié)能優(yōu)勢和電機軟啟動有效抗擊電網(wǎng)尖峰電壓的過程。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/162654.htm關(guān)鍵詞:變頻器 軟啟動 節(jié)能
一、 引言
隨著工業(yè)化腳步的加快,節(jié)能降耗的形式越來越嚴峻,一些能降低工業(yè)損耗的電子產(chǎn)品都涌現(xiàn)出來。變頻器和軟啟動器的應(yīng)用領(lǐng)域是越來越廣,使用也是越發(fā)頻繁。在電機和風機的控制中,變頻調(diào)速和軟啟動節(jié)能效果非常明顯。
二、 電力能耗分析
為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種生產(chǎn)機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時,都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行,除達到動力驅(qū)動要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費,在生產(chǎn)過程中,由于電機的負荷變化范圍很大,必須實時調(diào)節(jié)風機水泵等的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié),這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了通道的通流阻抗,而電動機的輸出功率并沒有多大改變,往往是電機在全速運行,調(diào)節(jié)閥通過節(jié)流來控制生產(chǎn)的需要,實際上是人為增加阻力辦法達到調(diào)節(jié)目的,這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費大量電能。當風量減少風機轉(zhuǎn)速下降時,其電動機輸入功率迅速降低。例如風量下降到80%,轉(zhuǎn)速n也下降到80%時,其軸功率則下降到額定功率51%;若風量下降到50%,軸功率將下降到額定功率13%,其節(jié)電潛力非常大。
在電機全壓啟動時,由于電機的啟動力矩需要,要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機額定電流,而大的啟動電流即浪費電力,對電網(wǎng)的電壓波動損害也很大,增加了線損和變損。過大的起動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機械沖擊,對被帶動的設(shè)備造成大的沖擊力,縮短使用壽命,影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機械傳動部件的非正常磨損及沖擊,加速老化,縮短壽命從而增加維護工作量。電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊,而且還會對電網(wǎng)容量要求過高,啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大,對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用軟啟動裝置后,利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始,最大值也不超過額定電流,減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護費用。電機啟動時啟動電流可從0 —— 電機額定電流逐步增加,減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊,節(jié)約了電費,也減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊,延長了設(shè)備的使用壽命。
三、 變頻節(jié)能分析
3.1變頻器的工作原理
交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位:
n=60 f(1-s)/p 式(1)
式中 n———異步電動機的轉(zhuǎn)速;
f———異步電動機的頻率;
s———電動機轉(zhuǎn)差率;
p———電動機極對數(shù)。
由式(1)可知,轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速,當頻率f在0~50Hz的范圍內(nèi)變化時,電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。
變頻器的作用是通過改變電源的頻率來改變電機的轉(zhuǎn)速,也就是通常所說的變頻調(diào)速。變頻器分為交直交、交交變頻兩大類。目前交直交變頻使用比較廣泛,它由順變器、中間濾波環(huán)節(jié)、逆變器三部分組成。順變器的作用是將定壓定頻的交流電變換為可調(diào)直流電,通過電壓型或電流型濾波器為逆變器提供直流電源。逆變器將直流電源變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電。順變器和逆變器都是晶閘管三相橋式電路。濾波器由電容或電抗器組成,為逆變器提供穩(wěn)定的電壓源或電流源。
3.2變頻器的節(jié)能方式
3.2.1變頻節(jié)能:
為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種生產(chǎn)機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時,都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行,除達到動力驅(qū)動要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費,在壓力偏高時,可降低電機的運行速度,使其在恒壓的同時節(jié)約電能。當電機轉(zhuǎn)速從 N1 變到 N2時,其電機軸功率P的變化關(guān)系如下:
P=CN3; 式(2)
式中:P——主機發(fā)
N——主機轉(zhuǎn)速
C——常數(shù)
當電機轉(zhuǎn)速從N1減小到N2時,其功率也從P1減小到P2。功率的變化公式式(3)
由此可見降低電機轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。
如果水泵的效率一定,當要求調(diào)節(jié)流量下降時,轉(zhuǎn)速N可成比例的下降,而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。所隊當所要求的流量Q減少時,可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動機轉(zhuǎn)速n按比例降低。這時,電動機的功率P將按三次方關(guān)系大幅度地降低,比調(diào)節(jié)擋板、閥門節(jié)能40一50,從而達到節(jié)電的目的。
例如:一臺離心泵電機功率為55千瓦,當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時,其耗電量為28.16千瓦,省電48.8%,當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的l/2時,其耗電量為6.875千瓦,省電87.5%。
3.2.2動態(tài)調(diào)整節(jié)能:
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,變頻器技術(shù)的成熟,變頻器迅速適應(yīng)負載變動,供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有 5000次/秒的測控輸出功能,始終保持電機的輸出高效率運行。
3.2.3通過變頻自身的V/F功能節(jié)電:
在保證電機輸出力矩的情況下,可自動調(diào)節(jié)V/F曲線。減少電機的輸出力矩,降低輸入電流,達到節(jié)能狀態(tài)。
3.3.4提高功率因數(shù)節(jié)能:
電動機由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用而產(chǎn)生力矩。繞組由于其感抗作用。對電網(wǎng)而言,阻抗特性呈感性,電機在運行時吸收大量的無功功率,造成功率因數(shù)很低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后,由于其性能已變?yōu)椋篈C—— DC ——AC,在整流濾波后,負載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性,功率因數(shù)很高,減少了無功損耗.
四、軟啟動節(jié)能特性:
在電機全壓啟動時,由于電機的啟動力矩需要,要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機額定電流,而大的啟動電流即浪費電力,對電網(wǎng)的電壓波動損害也很大,增加了線損和變損。采用軟啟動后,啟動電流可從0 —— 電機額定電流,減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊,節(jié)約了電費,也減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊,延長了設(shè)備的使用壽命。軟啟動控制器可以根據(jù)電動機功率因數(shù)的高低,自動判斷電動機的負載率。當電動機處于空載或負載率很低時,可通過相位控制使晶閘管的導通角發(fā)生變化,從而改變輸入電動機的功率,以達到節(jié)能的目的。軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器,將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時,晶閘管的輸出電壓逐漸增加,電動機逐漸加速,直到晶閘管全導通,電動機工作在額定電壓的機械特性上,實現(xiàn)平滑啟動,降低啟動電流,避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉(zhuǎn)數(shù)時,啟動過程結(jié)束,軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管,為電動機正常運轉(zhuǎn)提供額定電壓,以降低晶閘管的熱損耗,延長軟啟動器的使用壽命,提高其工作效率,又使電網(wǎng)避免了諧波污染。
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