淺析變頻技術的應用與發展

魏樹強

摘要:隨著工業自動化水平的不斷提高和電力電子技術的發展,水工程中采用高壓變頻調速技術越來越多。政府號召節約資源、企業需要降低生產成本、市場呼吁節能技術和產品,而變頻技術被認為是最有效的節能方式之一,使用變頻器不僅能達到科學用能、節能降耗的目的,而且能夠提高自動化水平,改善工藝。

關鍵詞:變頻技術 水泵 節能

中圖分類號:TN77文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0169-01

1變頻技術的降耗節能原理

1.1變頻節能

由流體力學可知,P(功率)=Q(流量)譎(壓力),流量Q與轉速N的一次方成正比,壓力H與轉速N的平方成正比,功率P與轉速N的立方成正比。如果水泵的效率一定,當要求調節流量下降時,轉速N可成比例的下降,而此時軸輸出功率P成立方關系下降,即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。

1.2功率因數補償節能

無功功率不但增加線損和設備的發熱,更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低,大量的無功電能消耗在線路當中,設備使用效率低下,浪費嚴重,由公式P=S證OS中,Q=S譙IN中,其中S—視在功率,P—有功功率,Q—無功功率,COS—功率因數,可知COS中越大,有功功率P越大,普通水泵電機的功率因數在0.6～0.7之間,使用變頻調速裝置后,由于變頻器內部濾波電容的作用,COS≈1,從而減少了無功損耗,增加了電網的有功功率。

1.3軟啟動節能

由于電機為直接啟動或Y/D啟動,啟動電流等于(4～7)倍額定電流,這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊,而且還會對電網容量要求過高,啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大,對設備、管路的使用壽命極為不利。使用變頻節能裝置后,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,減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求,延長了設備和閥門的使用壽命,節省了設備的維護費用。

2變頻技術在水泵降耗節能改造中的應用

目前,國內在水泵控制系統中使用變頻調速技術,大部分是在開環狀態下,即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值,以達到調速目的。

采用變頻調速技術后,電機水泵的轉速普遍下降,延長了設備的使用壽命,降低了設備的維修費用。同時,由于變頻器啟動和調速平穩,減少了對電網的沖擊。變頻調速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數字顯示功能,提高了電機水泵運行的可靠性。

3水泵高壓電機變頻調速改造應注意的問題

為達到電氣節能和工藝優化的目的,高壓變頻器在工程設計中應注意:

3.1電機的特性試驗和技術規范的再修訂

當一臺普通電動機由變頻提供電源時,其變頻器輸出端的電壓和電流諧波分量會使電機的損耗增加、效率降低、溫度升高。高次諧波引起損耗的增加主要表現在定子和轉子的銅耗、鐵損及附加損耗的增加。在普通異步電機中,為改善電機啟動性能,轉子的集膚效應使實際阻抗增加,從而使銅耗增大。

另一方面,由于電機線圈之間存在分布電容,當高次諧波電壓輸入時,各線圈之間的電壓是不均勻的,這種長期反復作用使定子線圈某一部分的絕緣造成損傷,從而產生線圈老化,這在普通異步電動機的絕緣結構方面是難以接受的。

另外電機的電磁回路不可能做到絕對對稱,所以變頻器輸出電源中所含有的各次諧波分量將與電磁回路中固有的空間諧波分量相互作用形成各種電磁脈動。同時,電機因處在頻率不斷調節的工作狀態下,很容易與電機機械部分產生機械共振,造成電機機械部位的損壞。

因此,在變頻調速改造工程中,為了避免變頻調速系統在運行時出現上述問題,技術設計時必須考慮和電動機制造廠家進行技術合作,對電動機的相關特性進行調速實驗,重新修訂原電動機的技術規范。

3.2電力電纜選型要點和敷設要求

由于變頻器輸出端與電機之間的聯系采用電纜附設方式,且線路各相均存在對地電容,所以運行時線路上的電容電流是不相等的。如果電纜附設距離較長,且線路中又存在高次諧波電流,那么一旦發生單相接地時,故障電容電流所點燃的電弧熄滅時間過長,會使這端電纜發熱,造成非故障絕緣。

在變頻調速改造工程中,針對輸出電源電纜,考慮電纜結構上的三相對稱和屏蔽,將電纜截面適當增加,敷設長度不超過限定值(100m),如果原輸出電源電纜為非屏蔽或截面的栽流量裕度小于2,應更換符合要求的電力電纜。

現場敷設施工時要將電源電纜與控制電纜和信號電纜分開敷設,避免由電源電纜中高次諧波產生的磁場干擾其他信號。

3.3變頻器工作環境的基本要求

由于高壓變頻器的逆變部分采用高壓IGBT等功率器件,其開、關頻率大干100HZ,易形成高次諧波電流,使得變頻裝置在工作時將產生一定的熱量。一般在變頻器柜的頂部均配有排風扇,它將柜內的熱量排放到室內,使室內的環境溫度不斷升高,最終會影響柜內各器件的可靠運行。所以,在水廠工程設計中一般變頻調速裝置單獨設置在變頻調速室內,室內必須安裝備用空調設施,控制室內環境溫度在變頻器所要求的范圍內,同時設有通風門窗,必要時采用專門風道進行強制通風和冷卻。

3.4 高壓供電系統出口斷路器控制的技術完善

當變頻器發生故障發出跳閘信號時,斷路器應可靠動作跳閘。普通斷路器高壓開關柜內部出現跳閘回路斷線或直流控制電源消失的情況,變頻器恰好出現故障(要求斷路器跳閘)時,跳閘線圈已失電,斷路器拒絕動作,因而造成變頻器內部的功率器件損壞。所以在設計中選擇了帶有欠壓脫扣線圈的斷路器,一旦出現跳閘回路斷線或控制電源消失的情況,斷路器首先自動跳閘,以保護變頻器的設備安全。

4總結

綜上所述,變頻調速技術用于水泵控制系統,具有調速性能好、節能效果顯著、運行工藝安全可靠等優點。在大力提倡節約能源的今天,推廣使用這種集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高科技節能裝置,對于提高勞動生產率、降低能耗具有重大的現實意義。可以說,變頻調速技術是一項利國利民、有廣泛應用前景的高新技術。

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