舉例說明離心式風(fēng)機(jī)與水泵采用變頻調(diào)速節(jié)能的原理

舉例說明離心式風(fēng)機(jī)與水泵采用變頻調(diào)速節(jié)能的原理在各種工業(yè)用風(fēng)機(jī)、水泵中，如鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)、深井、離心泵等，大部分是額定功率運(yùn)行，而它們的能耗都與機(jī)組的轉(zhuǎn)速有關(guān)。通常在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造業(yè)中風(fēng)機(jī)設(shè)備主要用于鍋爐燃燒系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等場合，根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況。風(fēng)機(jī)流量的設(shè)計(jì)均以最大風(fēng)量需求來設(shè)計(jì)，其調(diào)整方式采用調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小、回流、啟停電機(jī)等方式控制，無法形成閉環(huán)控制，也很少考慮省電。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下。同樣，離心式水泵在我國當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活中起到很大的作用，水泵使用三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，水泵流量的設(shè)計(jì)同樣為最大流量，壓力的調(diào)控方式只能通過控制閥門的大小、電機(jī)的啟停等方法。這種人為增加管阻的調(diào)節(jié)方式雖然滿足了生產(chǎn)生活所需的對(duì)流量的控制，但是浪費(fèi)了大量的電能，不是一種經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。電氣控制采用直接或Y-△啟動(dòng)，不能改變風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，無法具有軟啟動(dòng)的功能，機(jī)械沖擊大，傳動(dòng)系統(tǒng)壽命短，震動(dòng)及噪聲大，功率因數(shù)較低等是其主要難點(diǎn)。為解決這些難題，相關(guān)科研技術(shù)人員根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等裝置的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況，在滿足生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上又節(jié)約了能源。所以，變頻調(diào)速對(duì)生產(chǎn)生活具有十分重要的意義，這也就意味著我們有必要了解風(fēng)機(jī)和水泵等裝置采用變頻調(diào)速節(jié)能的原理。為了對(duì)變頻調(diào)速節(jié)能原理有更清晰、更深入的理解，我們可以先從變頻器的工作原理出發(fā)。變頻器電路（見下圖）的基本工作原理為：三相交流電源經(jīng)二極管整流橋輸出恒定的直流電壓，由六組大功率晶體管組成逆變器，利用其開關(guān)功能，由高頻脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)器按一定規(guī)律輸出脈沖信號(hào)，控制晶體管的基極，使晶體管輸出一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，其幅值為逆變器直流側(cè)電壓Vd而寬度則按正弦規(guī)律變化，這一組脈沖可以用正弦波來等效，此脈沖電壓用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制PWM驅(qū)動(dòng)器輸出波形的幅值和頻率，即可改變晶體管輸出波形的頻率和電壓，達(dá)到變頻調(diào)速的目的。交—直—交變頻器，主要由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成。

運(yùn)彳」搦令A(yù)<空淀黠II流器運(yùn)彳」搦令A(yù)<空淀黠II流器I前面已經(jīng)提到，在生產(chǎn)中，許多設(shè)備的能耗都與機(jī)組的轉(zhuǎn)速有關(guān)，這些設(shè)備一般都是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷條件，如最大流量來進(jìn)行選擇的，但實(shí)際生產(chǎn)中所需的流量往往比設(shè)計(jì)的最大流量小得多，如果所用的電動(dòng)機(jī)是不能調(diào)速的，通常只能通過調(diào)節(jié)閥門的開度來控制流量，其結(jié)果是會(huì)在閥門上造成很大的能量損耗，如果不用閥門調(diào)節(jié)，而是讓電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，那么，當(dāng)需要的流量減少時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，消耗的能量將會(huì)明顯減少。當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從n1變?yōu)閚2時(shí)，流量Q、壓力H、功率P大致變化關(guān)系為：Q2二Ql(n2/nl)、H2二Hl(n2/nl)、P2=P1(n2/n1)，由上式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降1/2時(shí)，流量下降1/2，壓力下降1/4，功率下降1/8，即流量需求減少一半時(shí)，如通過變頻調(diào)速，則理論上講，僅需額定功率的12.5%，即可節(jié)約87.5%的能源。如果不是用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來，那么隨著輸出壓頭的降低，在輸出同樣流量的情況下，原來消耗在閥門上的功率就可以完全避免，這就是調(diào)速節(jié)電的原理所在。簡單地說，就是在不裝變頻調(diào)速裝置時(shí)，風(fēng)機(jī)或水泵的出口排量靠出口閥調(diào)節(jié)，電機(jī)易過負(fù)荷，流量小時(shí)，靠關(guān)小閥門調(diào)節(jié)，增加了管道阻力，使部分能量白白消耗在出口閥上，安裝變頻調(diào)速器后，可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的電耗也相應(yīng)降低，是原來消耗在出口閥上的能量，用變頻調(diào)速方法得到了解決。由于采用恒轉(zhuǎn)矩特性，變頻降速后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變，拖動(dòng)力矩恒定，可以保證排量，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能的作用。下面討論風(fēng)機(jī)與水泵變頻調(diào)速節(jié)電原理風(fēng)機(jī)多為交流異步電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，即可節(jié)約能源，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下：式中：no：異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速P：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)s：轉(zhuǎn)差率因此，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)P、轉(zhuǎn)差率s及電源頻率f都可以改變轉(zhuǎn)速。本文主要研究變頻調(diào)速的情況。變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過變頻器變成電壓和頻率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)，使其可以在變速的情況下運(yùn)行。改變電動(dòng)機(jī)定子頻率f可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速no，相應(yīng)的也改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，而轉(zhuǎn)差率s可保持不變或很小，可以使風(fēng)機(jī)與水泵的性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)與水泵工況的目的。但對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)來說，定子頻率改變后，其運(yùn)行影響，如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通減少，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)；頻率減小，磁通增加，會(huì)使磁路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要求調(diào)頻的同時(shí)，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。二者之所以能夠同時(shí)同時(shí)滿足，主要是由于三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值為E1二4.44f1N1①m式中：f1——電動(dòng)機(jī)定子頻率，單位為Hz；Ni——定子相繞組有效匝數(shù)；每極磁通量，單位為Wb從公式可知，對(duì)Ei和fi進(jìn)行適當(dāng)控制即可維持磁通不變。雖然變頻調(diào)速技術(shù)在生產(chǎn)中得到了很大的推廣應(yīng)用，但是仍存在一些問題。下面，我會(huì)簡單地為大家分析一下變頻調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)如下。變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1） 可實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速，且調(diào)速精度高，轉(zhuǎn)速（頻率）分辯率高。（2） 調(diào)速效率高。變頻調(diào)速的特點(diǎn)是在頻率變化后，電動(dòng)機(jī)仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，基本上保持額定轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差損失不增加。變頻調(diào)速時(shí)的損失，只是在變頻裝置中產(chǎn)生的變流損失，以及由于高次諧波的影響，使電動(dòng)機(jī)的損耗有所增加，相應(yīng)效率有所下降。所以變頻調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。（3） 調(diào)速范圍寬，一般可達(dá)10:1（50?5Hz）或20:1（50?2.5Hz）。并在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的調(diào)速裝置效率nV。所以變頻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行的負(fù)載。（4） 功率因數(shù)高，可以降低變壓器和輸電線路的容量，減少線損，節(jié)省投資或在同樣的電源容量下，可以多裝風(fēng)機(jī)或水泵負(fù)載。（5） 變頻裝置故障時(shí)可以退出運(yùn)行，改由電網(wǎng)直接供電（工頻旁路）。這對(duì)于泵或風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是很有利的。如萬一變頻裝置發(fā)生故障，就退出運(yùn)行，不影響泵與風(fēng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行；又如在接近額定頻率（50Hz）范圍工作時(shí)，由變頻裝置調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性并不高，變頻裝置可退出運(yùn)行，由電網(wǎng)直接供電，改用節(jié)流等常規(guī)的調(diào)節(jié)方式。（6） 變頻裝置可以兼作軟起動(dòng)設(shè)備，通過變頻器可將電動(dòng)機(jī)從零速起動(dòng)連續(xù)平滑加速直致全速運(yùn)行。變頻軟起動(dòng)是目前最好的軟起動(dòng)方式，變頻器是目前最好的軟起動(dòng)設(shè)備。變頻調(diào)速的主要缺點(diǎn)是：（1）目前，變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大容量傳動(dòng)中推廣應(yīng)用的主要問題有兩個(gè)：一個(gè)是我國發(fā)電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)供電電壓高（3?10KV）,而功率開關(guān)器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問題；二是高壓大功率變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、難度大，因而投入也高，而一般風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能改造都要求低投入，高回報(bào)，從而造成經(jīng)濟(jì)效益上的問題。這兩個(gè)問題是它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的主要障礙。(2)因電流型變頻器輸出電流的波形和電壓型變頻器輸出電壓的波形均為非正弦波形而產(chǎn)生的高次諧波，對(duì)電動(dòng)機(jī)和供電電源會(huì)產(chǎn)生種種不良影響。如使電動(dòng)機(jī)附加損耗增加、溫升增高，從而使電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)下降，出力受到限制，噪聲增大以及對(duì)無線電通信干擾增大等。同時(shí)，高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，其脈動(dòng)頻率為6kf(k=