變頻技術在工業(yè)節(jié)能減排工程中的應用

摘要：使用變頻技術調節(jié)電機在工業(yè)領域節(jié)能減排方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ恼聫淖冾l技術的節(jié)能原理、電機耗能、變頻技術在工業(yè)節(jié)能的運用等方面對變頻技術的應用進行了探討。

關鍵詞：變頻技術；工業(yè)節(jié)能；變頻電機

中圖分類號：TM921.51文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）20-0035-01

節(jié)能減排工業(yè)改造計劃已在我國大規(guī)模推行，工業(yè)企業(yè)為了適應低碳社會的需要，必須在動力節(jié)能方面進行改革，而變頻器在工業(yè)電機節(jié)能減排方面具有優(yōu)越性，被廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、紡織、建筑、煤炭等工業(yè)行業(yè)。

1變頻技術的節(jié)能原理

變頻器，是一種綜合應用變頻技術與微電子技術控制交流電動機電力傳動的元件，變頻器的作用就是改變交流電機供電的頻率和幅值，從而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設備的能耗都與機組的轉速有關，這些設備的預定流量一般是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負荷條件來選擇的，但在實際生產(chǎn)過程中，真正運用的流量往往比設計的最大流量要小，傳統(tǒng)的電動機無法調速，只能通過閥門調節(jié)開關來控制流量，因此在閥門上會造成很大的能量損耗，如果不用閥門調節(jié)，而是讓電機調速運行，那么，當需要的流量減少時，電動機的轉數(shù)降低，消耗的能量將會明顯減少。以油泵為例，在不裝變頻調速裝置時，油泵的出口排量需要用出口閥來調節(jié)，流量較小時，關小閥門，這樣會增加管道阻力，有相當部分的能量是消耗在泵出口閥門上；而安裝變頻調速器后，可以降低泵的轉速，泵的揚程也相應降低，電機的電耗也相應降低，使原來消耗在泵出口閥上的能量，用變頻調速方法得到了解決，保證了排量，從而實現(xiàn)了節(jié)約電能的作用。

2我國工業(yè)電機耗能現(xiàn)狀

從“十一五”提出節(jié)能減排以來，節(jié)能技術應用已成為我國節(jié)能減排的主導，在鋼鐵、水泥、有色金屬、電力等重工業(yè)產(chǎn)能過剩的背景下，而變頻器在節(jié)能減排工作中首當其沖。目前我電動裝量達4億多kW，年電量達12000億kW，電動機的用電量占全國工業(yè)用電總量的80%，其中風、水泵、壓縮裝量超過2億kW，年電量達8000億kW，占全國總用電量的40%左右，因此電動上節(jié)能需求非常大，也是最能體現(xiàn)節(jié)能效果地地方。通過采用新設計、新工藝和新材料，降低電磁能、熱能、機械能的損耗這些方式來提高電機輸出效率輸效，約能將電機效率提高3％~5%，而采用變頻器控制電機節(jié)能的方式，最高節(jié)電效率可達30%，節(jié)能效果十分顯著，且利用變頻器節(jié)能與高效節(jié)能電機技術可以同時運用，并不沖突。

變頻器可以將工頻電源變換成頻率可調的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，從而提高電氣傳動系統(tǒng)運行效率。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在不更換主機設備的情況下，僅改變速度就可取得平均節(jié)電30%的效果，其中石油系統(tǒng)平均節(jié)能率38%、石化系統(tǒng)46%，冶金系統(tǒng)42%、城市供排水系統(tǒng)45%、化工系統(tǒng)24%。從調速效果看，變頻調速技術是最好的調速技術，它的調速范圍最寬，可達到5%～100%，調速精度最高，因此在節(jié)能水平、可操作性上，變頻技術都具備非常好的推廣基礎。

3變頻技術在工業(yè)節(jié)能工程中的應用

交流電機變頻調速成為節(jié)約電能、改善生產(chǎn)工藝流程、提高產(chǎn)品質量、以及改善運行環(huán)境的一種主要手段。與之相對應，我們變頻器以高效率、高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調速和啟制動性能而廣受用戶青睞，在眾多領域發(fā)揮著重要作用。

首先是軟啟動功能。電機硬啟動，直接啟動電流往往是其額定電流的3～5倍，忽然增高的電流不僅增加了電機的設計生產(chǎn)難度，而且對電網(wǎng)系統(tǒng)容量、輸配電設施造成嚴重沖擊，對擋板、閥門等設備的損害也極大。變頻器的作用就是改變交流電機供電的頻率和幅值，從而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。這使電機啟動電流從零開始，逐漸增加，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，延長了設備的使用壽命。

其次是優(yōu)化電機運行。在風機、中央空調等系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施來實現(xiàn)的。出水口水壓大小往往受水箱高度、儲水量等因素影響，時常發(fā)生變化，要真正實現(xiàn)恒壓并不容易。另外，風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調速方法是靠調節(jié)出入口的擋板、閥門開度來調節(jié)給風量和給水量。當輸入功率過大時，大量能源就消耗在擋板、閥門的截流過程中，造成了浪費。這就像是人們在沒有準確核算工程量的前提下就把大大超出需求量的磚塊運上了高樓，造成人力和工時的浪費。如今，工程師們組合變頻器、PID調節(jié)器、單片機、PLC等，形成一個控制系統(tǒng)，就可以調節(jié)水泵的輸出流量，減少無效勞動。人們只要設定泵站總管的出水壓力，設定值與反饋的實際值進行比較，其差值經(jīng)過運算處理后，系統(tǒng)會發(fā)出控制指令，控制水泵電動機的投運臺數(shù)和轉速，從而達到給水總管壓力恒定的目標。與調節(jié)閥門控制水壓相比，該系統(tǒng)降低了管道阻力，大大減少了截流損失的效能，而且不需要人工頻繁操作，降低了勞動強度。另外，在中央空調、風機等系統(tǒng)中，變頻器也有不俗的表現(xiàn)。中央空調是按照最大需要冷（熱）量再加10%～20%來設計的，耗電量大，節(jié)能潛力也大。用變頻器去對中央空調制冷壓縮機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風扇、回風裝置等進行調速節(jié)能控制，就可以避免過大流量和過大壓力，保證系統(tǒng)正常有效運行，可以節(jié)電20%～50%。又如，在“萬里長江第一隧”——上海長江隧道建設過程中，建設者需要確保長約8.9 km，內徑13.7 m的隧道內通風良好。為此，這個項目采用了德力西變頻器，根據(jù)用風量大小直接給定電機轉速，精準調節(jié)風量，優(yōu)化了電氣設施的使用，節(jié)能達20%～45%。

再次，是對系統(tǒng)具有保護功能。在檢知系統(tǒng)中的異常狀態(tài)后，變頻器可以自動修正動作或者封鎖電力半導體器件PWM控制信號，使電機自動停車，如過電流失速防止、過電流切斷、半導體冷卻風扇過熱和瞬時停電保護等

4變頻器技術發(fā)展態(tài)勢

由于國內電機變頻調速產(chǎn)品日趨成熟，節(jié)能效果逐漸得到市場全面認可，工業(yè)企業(yè)對電動機的投資改造積極性日益提高，變頻器行業(yè)在中國的快速發(fā)展將是必然，今后技術和產(chǎn)品發(fā)展將呈現(xiàn)三大趨勢。

一是功率單元串聯(lián)多電平技術依然是市場的主流。目前，采用功率單元串聯(lián)多電平技術的高壓變頻器國內市場份額已經(jīng)超過三分之二，包括利德華福、東方日立、山東風光等高壓變頻器生產(chǎn)廠商采用的都是這種技術。二是向大功率方向發(fā)展。大功率變頻器市場份額前些年基本掌握在國外廠商手中，隨著國內企業(yè)技術水平的提高，國產(chǎn)變頻器產(chǎn)品的功率也隨之逐步提高。三是隨著高壓變頻技術的成熟，將大幅拓展工藝控制對于變頻調速的需求。如應用于軋鋼機、礦井提升機、電氣機車牽引系統(tǒng)等工業(yè)領域和高端軍事領域等，進一步拓展了高壓變頻調速技術的應用領域。

綜上所述，低能耗、低污染的低碳經(jīng)濟將是我國未來發(fā)展的必經(jīng)之路。如今，國內正在持之以恒地推動低碳經(jīng)濟、環(huán)保科技，相關政策已相繼出臺，在新一輪節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)熱潮中，變頻器作為節(jié)能減排的主力軍和急先鋒，在未來的節(jié)能市場上有著巨大的潛力。

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