智能化應(yīng)用變頻器提升節(jié)電效率

0 引言

隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)亦得到了不斷的發(fā)展。時至今日，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果而在國民經(jīng)濟眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并被公認為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，引領(lǐng)了電氣傳動發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量提供了強有力的保障。變頻調(diào)速理論已形成了完整的科學(xué)體系，成為一門相對獨立的學(xué)科。

本文是在我公司多年來自主研發(fā)的產(chǎn)品在各個行業(yè)實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的。

變頻器在我國的各個行業(yè)中已經(jīng)使用多年，但是不論是進口的還是國產(chǎn)的，節(jié)電率都沒有達到理論值，一般都在15%~20%左右。我們開發(fā)的智能化節(jié)電設(shè)備，節(jié)電率都達到甚至超過了40%;系統(tǒng)的電壓諧波控制在5%以下，電流諧波控制在15%以下;

功率因數(shù)提高到0.96以上。如何能做到這一點呢?我們主要從以下三個方面實現(xiàn)。

1 智能化應(yīng)用變頻器

智能化應(yīng)用變頻器，使系統(tǒng)中變頻器、電機、風(fēng)機(水泵)三者工作在最佳效率曲線內(nèi)，達到三者效率乘積最大化。

根據(jù)流體力學(xué)的原理可知電機的轉(zhuǎn)速n與風(fēng)量q、壓力h、軸功率P之間的關(guān)系為

顯而易見，通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，可以大幅度地降低電機的功率，通過計算，可以得出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速后，理論上電機所節(jié)約的電能，如表1所列。

由于軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，節(jié)電效果是非常顯著的。當(dāng)頻率下降10%時電機的轉(zhuǎn)速就會下降10%，風(fēng)量也會下降10%，這時的軸功率和電機轉(zhuǎn)速的三次方成正比。這時理論上的節(jié)電率是27.1%，如果轉(zhuǎn)速下降20%，理論上的節(jié)電率是48.8%。

采用交流變頻調(diào)速技術(shù)控制水泵的運行，是目前系統(tǒng)節(jié)能改造的有效途徑之一，下面繪出閥門控制調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速控制兩種狀態(tài)的水泵功率消耗—流量關(guān)系曲線。

圖1顯示了變頻器控制和閥門控制水泵所消耗的功率，從圖中我們可以清楚地看出水泵的流量為額定的60%時，變頻控制與閥門控制相比，功率下降了60%;所以水泵依靠閥門控制所消耗的電量遠遠大于變頻器控制所消耗的電量。

但是，為什么我們在安裝變頻器以后節(jié)電率達不到表1所列的數(shù)值呢?為什么節(jié)電率總是在20%以下呢?離變頻器的理論值相差甚遠，是什么原因?

經(jīng)過多年的研究，我們找到了問題的答案：雖然我們在系統(tǒng)中安裝了變頻器，但是沒有找到最佳的控制應(yīng)用手段來挖掘出變頻器和動力系統(tǒng)配合的潛力，用什么方法使變頻器、電機、風(fēng)機(水泵)三者效率的乘積最大化呢?我們通過幾年的努力，搜集了變頻器、電機、風(fēng)機和水泵幾千家制造商上萬種產(chǎn)品的效率曲線數(shù)據(jù)，建立了開發(fā)控制軟件的基礎(chǔ)，開發(fā)出了智能化控制變頻調(diào)速的專利軟件。由于這套軟件的開發(fā)成功，解決了如何使變頻器、電機、風(fēng)機或水泵在系統(tǒng)工作時三者效率乘積最大化的問題，使節(jié)電率在原來變頻器的基礎(chǔ)上提高了10%左右。

2 系統(tǒng)諧波治理

很多單位在安裝變頻器之后，節(jié)電率低，電機發(fā)熱、噪音大。大家都知道，每一個變頻器本身就是一個諧波源，產(chǎn)生的諧波有正相序、負相序和零相序之分。諧波能大大影響我們的節(jié)電率，舉個例子，例如我們在100 kW 的電機上加裝變頻器控制器轉(zhuǎn)速，100 kW的電機的額定電流大約是200 A，假設(shè)轉(zhuǎn)速降低20%，理論節(jié)電率應(yīng)該是48.8%，從電流的角度上說節(jié)省了97.6 A，但是變頻器本身產(chǎn)生多次諧波，以其中的5 次諧波為例，5 次諧波是負相序諧波，能產(chǎn)生與原基波電流方向相反的電流40 A，帶動電機反轉(zhuǎn)，此時電機的負載增大，效率降低，必須增加40 A的基波電流抵消掉諧波電流，此時，我們節(jié)約的電流只有57.6 A(這只是5次諧波產(chǎn)生的危害，還有其它次諧波也大大影響節(jié)電率)。從這些數(shù)字我們可以看出，諧波的存在對節(jié)電率有著非常大的影響。另外，諧波還有許多其它的危害，例如：影響電機效率和正常運行，縮短電動機壽命;加速元器件的老化;增加變壓器和線路損耗等。由此可知，對諧波的治理是當(dāng)務(wù)之急。

目前對諧波的治理方法主要是在系統(tǒng)中加裝無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器主要是電容和電抗，價格便宜，可是只能濾除30%左右的諧波;有源濾波器治理諧波的效果很好，對諧波的濾除率能達到95%以上，可是成本太高，平均每千瓦要上萬元，對企業(yè)來講投資太大。我們利用有源濾波器的原理，在變頻器的基礎(chǔ)上加裝諧波發(fā)生器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)諧波時，計算機就會發(fā)出指令，產(chǎn)生一個頻率相同方向相反的諧波把產(chǎn)生的諧波抵消掉，其諧波濾除率高達90%以上，接近于有源濾波器的治理效果，可成本比有源濾波器低了許多，用我們的方法濾除諧波平均1 000元/ kW左右，這樣我們就用最小的投入解決了最大的問題。

下面是一汽大眾用我們的產(chǎn)品在治理諧波方面的檢測數(shù)據(jù)。經(jīng)過治理后，諧波電壓含有率分別是：42Hz時為4.47%;38 Hz時為4.85%;35 Hz時為4.50%。

安裝LP牌智能化節(jié)電設(shè)備前后啟動電流、電機表面溫升對比如表2所列。

由于減少了諧波的影響，電機的電能損耗降低了，電機表面的溫度下降了，同時又提高了變頻器的節(jié)電率，此時的節(jié)電率已接近于理論值。

3 提高電機功率因數(shù)

影響電機功率因數(shù)的因素有三個：電壓波動，諧波影響，電機的空載和輕載。

我們國家的電網(wǎng)電壓已經(jīng)很穩(wěn)定，一般不會產(chǎn)生波動，另外，我們對諧波的治理也已經(jīng)接近理想狀態(tài)，現(xiàn)在我們只考慮第三個因素：電機的輕載和空載，空載的情況很少，解決輕載問題的關(guān)鍵就是必須首先知道負載在工作過程中隨時的變化情況，變化量是多少?用什么控制方法來實現(xiàn)?

以鋼鐵廠的除塵風(fēng)機為例，在開始出鐵時灰塵含量多，負載重，工作電流大，出鐵結(jié)束后，含塵量減少，電機的負載也會降低，電流減小，一般的變頻器只能解決在出鐵時帶動風(fēng)機滿載運行，煉鐵時變頻低速運行，而不能解決隨含塵量和負載的變化適時進行變頻調(diào)速運行，解決不了電機輕載的問題。我們的產(chǎn)品就做到了這一點，通過軟件對系統(tǒng)的實時監(jiān)測，控制電機運行狀況隨系統(tǒng)的變化而變化，使系統(tǒng)始終在最佳的工作狀態(tài)下運行。

表3是一汽大眾汽車有限公司對我們產(chǎn)品調(diào)速后各頻率段的功率因數(shù)的檢測數(shù)據(jù)。

事實證明，在使用我們的產(chǎn)品以后，原設(shè)備的功率因數(shù)有了大幅度的提高。

4 結(jié)語

通過我們的研究和我們所服務(wù)客戶的實際使用情況證明，智能化應(yīng)用變頻器和治理諧波是提升變頻器在動力節(jié)電領(lǐng)域節(jié)電率的切實有效的方法。