變頻調速器的節能節電技術(shù)原理及其應用

變頻調速控制是一種以改變電機頻率和改變電壓來(lái)達到電機調速目的的技術(shù)。目前無(wú)論哪種機械調速，都是通過(guò)電機來(lái)實(shí)現的。從大范圍來(lái)分，電機有直流電機和交流電機。以前的調速，多數用直流電機，雖然直流機調速容易實(shí)現。但是直流機固有的缺點(diǎn)：滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，給用戶(hù)帶來(lái)諸多不變。因此有人就想，如果把可靠簡(jiǎn)單的籠式交流電機用來(lái)調速那該多好！因而就出現了定子調速、變*調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串*調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出現了YVP變頻調速電機、YCT電磁調速電機（滑差電機）、繞線(xiàn)式電機、同步電機。 

到20世紀80年代，由于電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，才出現了對交流機來(lái)說(shuō)*好的變頻調速技術(shù)，它一出現就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞。因而說(shuō)變頻調速電機是時(shí)代的產(chǎn)物，只有在技術(shù)不斷發(fā)展的今天才能實(shí)現。為什么說(shuō)它是基于電力電子、微電子、信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物？一是它的逆變部分都基于電流很大、電壓很高的 SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT等電力電子器件來(lái)完成的。什么叫逆變：就是直流變交流（DC－AC）那么交流變直流就叫整流（AC－DC）。二是它的控制部分和負載狀態(tài)的檢測是由CPU（32位計算機）來(lái)完成，這是微電子器件發(fā)展的結果。三是內置4－20mA 接口和 RS485 接口可以和儀表、DCS 相接，通過(guò)總線(xiàn)Profibus、Interbus 通訊。 

調速節能原理從二個(gè)方面來(lái)說(shuō)明： 

1、風(fēng)機水泵的節電原理就是用調速控制代替擋風(fēng)板或節流閥控制風(fēng)流量，這是一個(gè)節電的有效途徑。在用檔風(fēng)板控制額定風(fēng)量Q1=100%輸出時(shí)，則軸功率N1與面積AH1 OQ1成正比，若風(fēng)量減半Q2 =50%輸出時(shí)，則軸功率N2與面積BH2 OQ2成正比，它比N1減少不多，這是因為需要克服檔風(fēng)板阻力增大風(fēng)壓所致。如果采用調速控制同樣風(fēng)量減半輸出時(shí)，轉數由n1降至n2，按風(fēng)機參數比例定律畫(huà)出n2時(shí)的特性曲線(xiàn)，C點(diǎn)為新的工礦點(diǎn)，這時(shí)軸功率N2與面積CH3OQ2成正比，在滿(mǎn)足同樣風(fēng)量Q2情況下，軸功能降低很多，節省的功率耗損△N與面積BH2H3C成正比，可見(jiàn)節電效果顯著(zhù)。 

2、流體力學(xué)的觀(guān)點(diǎn) 。流量∝轉速，壓力∝轉速^2，軸功率∝轉速^3，若轉速下降20%，則功率下降到51.2% ；若轉速下降50%，則軸功率下降到12.5% ，即使考慮調速裝置本身的損耗等因素，節電也是相當可觀(guān)的。為此，許多行業(yè)、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機械、電力、建材、醫藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來(lái)水等行業(yè)都在許多設備中采用交流電機變頻調速技術(shù)，產(chǎn)生節電及增產(chǎn)的效果。

下面舉幾個(gè)例子： 

實(shí)例 1、空調類(lèi)負載 

       家庭用空調只有0.5HP、1HP、2HP、3HP等，而工廠(chǎng)和賓館的空調容量要大的多，節電明顯。飯店動(dòng)力中心是一個(gè)集中供冷、供熱的工廠(chǎng)，安裝有20噸/小時(shí)蒸汽鍋爐3臺，300萬(wàn)大卡溴化鋰制冷機4臺，負責動(dòng)力廠(chǎng)周?chē)娘埖?、賓館、學(xué)校、及飯店宿舍、托兒所、公園、公寓、學(xué)校的供熱、供冷，供熱面積30萬(wàn)平方米、供冷面積20萬(wàn)平方米。91年，對水泵制冷機、引風(fēng)機采用變頻控制，節電明顯，一般在30～60%，年節電17.5萬(wàn)KW，**其它調速方式，節電效果很好。

實(shí)例 2、泵類(lèi)負載 

       泵類(lèi)負載，量大面廣，包括水泵、油泵、化工泵、泥漿泵、沙泵等，有低壓中小容量，也有高壓大容量。石化公司煉油廠(chǎng)從1990年開(kāi)始先后在蒸餾、裂解、加氫、糠醛、酮笨等20多條生產(chǎn)線(xiàn)上使用161臺變頻調速電機。變頻器總功率達8091KW。1990年10月至1992年2月對其中30臺泵進(jìn)行測試，在同等工藝下，采用調節閥控制耗電999.9KW，而采用變頻調速電機電耗為396.7KW，節電603.2KW,節電率60.3%。采用變頻控制時(shí)，電機和泵的轉數下降，軸承等機械部件磨損減低，泵端密封系統不易損壞，電機故障率降低，維修工作量大為減少。94年后，該廠(chǎng)又采用了14套6KV大容量變頻裝置，節電40%到70%，取得了較好的節電效果。 

實(shí)例 3、電梯高架游覽車(chē)類(lèi)負載 

       由于電梯是載人工具，要求拖動(dòng)系統可靠，又要頻繁的加減速和正反轉，電梯動(dòng)態(tài)特性和可靠性的提高，便增加了電梯乘坐的安全感、舒適感和效率。過(guò)去電梯調速直流居多，近幾年逐漸轉為交流電機變頻調速，無(wú)論是日本，還是德國。我國不少電梯廠(chǎng)都爭先恐后的用變頻調速電機來(lái)裝備電梯。

       許多人坐過(guò)深圳世界之窗的單軌高架游覽車(chē)，該車(chē)行駛中頻繁起動(dòng)、停車(chē)、上坡、下坡，并要求起停平穩，車(chē)速恒定。由于是載人車(chē)，運行必須安全可靠，常年日曬雨淋，環(huán)境惡劣。以往要求調速性能高的傳動(dòng)裝置，多采用帶測速反饋的矢量控制系統，價(jià)格較高。為了降低價(jià)格，并維修方便，采用了通用型變頻器轉矩矢量控制方式，解決了起動(dòng)/加速、停車(chē)/減速、恒速/變速行駛等，并防止了“下滑”、“沖站”現象的產(chǎn)生，達到了安全可靠，用戶(hù)非常滿(mǎn)意。

案例 4、攪拌機類(lèi)負載 

化工、醫藥行業(yè)攪拌機非常之多，采用變頻調速取代其他調速方式，好處特多。制藥廠(chǎng)氫化發(fā)酵崗位共有 8臺6.5噸發(fā)酵罐，電機功率為18.5KW，原為齒輪調速，如遇攪拌速度變化需拆卸三角皮帶，既笨重又不安全。改用變頻調速電機后，年節電8.6萬(wàn)KW，發(fā)酵過(guò)程明顯好轉，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了維修，僅減少三角帶費用就節省3萬(wàn)元，減少了工人勞動(dòng)強度，有益于工廠(chǎng)，有益于工人。

實(shí)例 5 、注塑機類(lèi)負載 

       注塑機是塑料加工成型的關(guān)鍵設備，數量多，耗電大。過(guò)去的節電方式多為通過(guò)△型轉換Y型（星型）來(lái)節電的，效果一般。采用變頻器調速技術(shù)在不改變注塑機原來(lái)的結構情況下，控制油泵幾個(gè)過(guò)程的壓力或流量（如鎖模、合模、射膠、保壓、脫模、退模等），可節電20%～52%，較好的取代過(guò)去的比例閥節流調速方式，大幅度降低能耗，珠三角的不少注塑廠(chǎng)都進(jìn)行了變頻改造。改造注塑機時(shí)，要注意合模加速，否則產(chǎn)量降低；注意輸入端和輸出端的諧波干擾。 

實(shí)例 6 、污水處理等環(huán)保類(lèi)負載 

       環(huán)境保護越來(lái)越被重視，它關(guān)系到人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境，連申奧也有環(huán)境指標。于是乎清潔能源、綠色城市均出現了。變頻調速可用在三個(gè)方面的環(huán)保類(lèi)負載。一是工業(yè)污水處理，二是電廠(chǎng)，三是工業(yè)排煙、排氣、除塵的控制。如煉油廠(chǎng)，改用曝氣機污水處理的攪拌設備，采用籠式電機變頻調速后，提高產(chǎn)品可靠性，節電40%以上，同時(shí)提高了活性污泥微生物群的壽命，提高了污水處理的效果。再如佛山電廠(chǎng)在工藝中選用52臺變頻器?？梢?jiàn)變頻調速已成為環(huán)境保護的主要設備。中國石化總公司制定一個(gè)熄滅火炬（主要指大煉油廠(chǎng)的可燒氣體）計劃，即是把可燃氣體輸送到用變頻調速的壓縮機柜回收。 

實(shí)例7、音樂(lè )噴泉類(lèi)負載 

       非常招攬游人的音樂(lè )噴泉，其水的高低和量的大小是靠變頻控制的。亞洲噴水*高的廣東河源市音樂(lè )噴泉和規模很大的山東濟南泉城廣場(chǎng)音樂(lè )噴泉均屬于此，即節電又效果頗佳，在施工音樂(lè )噴泉時(shí)，要注意變頻器諧波對控制系統的干擾。 

實(shí)例 8、卷煙機類(lèi)負載 

       卷煙行業(yè)過(guò)去進(jìn)口的卷煙機，不論莫林8、還是莫林10，均非無(wú)級調速。因而，在卷煙行業(yè)主要是解決無(wú)級調速和可靠性問(wèn)題，技術(shù)簡(jiǎn)單，變頻器操作方便。昭通卷煙廠(chǎng)十九臺進(jìn)口的格蘭特4卷接包裝聯(lián)合機組采用變頻調速后，日增產(chǎn)香煙200 箱，200箱香煙的利稅相當19臺變頻器的價(jià)格，即一天收回投資。因而，卷煙機改造迅速，受益大。 

實(shí)例 9 、大型窯爐煅燒類(lèi)負載 

       冶金、建材、燒堿等大型工業(yè)轉窯（轉爐）以前大部分采用直流、整流子電機、滑差電機、串*調速。由于這些調速方式或有滑環(huán)、或效率低，近年來(lái)，不少單位采用交流變頻控制，效果很好。株州冶煉廠(chǎng)鋅浸出渣揮發(fā)回轉窯是回收鋅的主體設備，共有三臺。窯外徑2.8米，長(cháng)44 米，原用正流子電機和滑差電機拖動(dòng)，故障多，經(jīng)常跳閘，維修量較大。由于現場(chǎng)環(huán)境惡劣，導電塵埃多，電機火花不斷。刷握、碳刷更換不斷，90年小修56 次，更換碳刷1670只，刷握647只，影響了生產(chǎn)進(jìn)度。91年6月該廠(chǎng)完成了回轉窯的變頻調速改造。運行平穩、可靠、操作簡(jiǎn)單，沒(méi)有發(fā)生因電機拖動(dòng)故障而影響生產(chǎn)。年節電12萬(wàn)度，超產(chǎn)117.82萬(wàn)元。唐山堿廠(chǎng)輕灰煅燒爐是純堿生產(chǎn)關(guān)鍵設備，直徑3.6米，爐身長(cháng)30米，總重266 噸，采用 220KW變頻器拖動(dòng)，低頻啟動(dòng)好，旋轉穩定，可靠性高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 

實(shí)例 10 、吊車(chē)、翻斗車(chē)類(lèi)負載 

       吊車(chē)、翻斗車(chē)等負載轉矩大且要平穩，正反頻繁且要可靠。變頻裝置控制吊車(chē)、翻斗車(chē)滿(mǎn)足這些要求。獨子山石化廠(chǎng)酮苯車(chē)間為三臺過(guò)濾器的安裝而設置一臺20噸橋式起重機，工藝要求防爆，采用防爆籠型電機。原生產(chǎn)的吊車(chē)主鉤、輔鉤、大車(chē)、小車(chē)無(wú)調速功能，不能定位。力矩小，吊起物體下滑，無(wú)法吊裝19噸重的過(guò)濾器機座，使該車(chē)間晚開(kāi)工一年多，損失千萬(wàn)元。91年7月采用變頻調速加制動(dòng)電機功能，使主鉤、輔鉤、大車(chē)、小車(chē)五臺電機由一臺變頻器控制，效果很好。過(guò)載試驗吊起22噸，很快把3臺各重40噸的過(guò)濾機安裝在10米高二層平臺的機位上。碼頭港機、車(chē)站龍門(mén)吊、貨場(chǎng)堆取料機等都可以采用變頻調速裝置，以達到可靠、平穩、節電、少維修的目的。變頻調速電機，除節電顯著(zhù)外，還是某些生產(chǎn)工藝中必需的設備。 

實(shí)例 11 、轉爐類(lèi)負載 

       轉爐類(lèi)負載，用交流變頻代替直流機組簡(jiǎn)單可靠，運行穩定。1994年5月1日，承德鋼鐵公司煉鋼廠(chǎng)三套20噸轉爐直流拖動(dòng)系統全部處于故障狀態(tài)。經(jīng)專(zhuān)家改造后，20噸轉爐傾動(dòng)和氧槍升降采用交流變頻調速拖動(dòng)。從供貨到安裝、調試、經(jīng)過(guò)13 天，三臺轉爐全部正常投入生產(chǎn)。這是我國20噸轉爐傾動(dòng)和氧槍升降采用變頻調速。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)應用，該系統運行穩定可靠，技術(shù)指標滿(mǎn)足工藝要求。轉爐、氧槍主傳動(dòng)系統引起的熱停工減少90%以上，年增產(chǎn)1.5萬(wàn)噸鋼，節電22萬(wàn)度，直接經(jīng)濟效益231萬(wàn)元。為鋼廠(chǎng)以后穩定的生產(chǎn)打下堅實(shí)的基礎。

實(shí)例 12 、特種電源類(lèi)負載 

       許多電源，如實(shí)驗電源，飛機拖動(dòng)電源（400HZ）都可用變頻裝置來(lái)完成，好處是投資少、見(jiàn)效快、體積些操作簡(jiǎn)單。粘膠纖維行業(yè)紡絲設備多數是高速電機，眾多的紡綻電機為150HZ/160V 。長(cháng)期以來(lái)，國內粘膠行業(yè)一直使用電動(dòng)——發(fā)電機組中頻電源供電，稱(chēng)動(dòng)變頻。由于這種方法弊病太多，而逐步采用交流變頻電源供電，稱(chēng)靜變頻。邵陽(yáng)化纖廠(chǎng)是我國粘膠行業(yè)*早自行應用靜變頻的廠(chǎng)家，8臺160KW 變頻器分二組供電（每組一臺備用）。自1992 年12月生產(chǎn)以來(lái)，比動(dòng)變頻有明顯的優(yōu)勢。 

1.運行多年，未發(fā)生故障跳閘。 

2.運行穩定，電壓、頻率波動(dòng)*些。 

3.調頻方便，為工廠(chǎng)生產(chǎn)不同捻度的絲餅創(chuàng )造了條件。 

4.噪音小，改善了操作人員的環(huán)境。 

5.提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

6.增加了產(chǎn)量。

7.節電13%。 

靜變頻為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)很多好處，不少企業(yè)采用了靜變頻技術(shù)。變頻調速技術(shù)具有體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝**、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，深受用戶(hù)歡迎，變頻調速電機技術(shù)是節能、降耗、增產(chǎn)的理想設備。