高壓變頻器在大功率電機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用研究

張英

摘 要：隨著生產(chǎn)力的持續(xù)提高，高壓變頻器使用頻率越來越高，大功率電機(jī)是當(dāng)代缺一不可的機(jī)械動(dòng)力源，使用高壓變頻器的大功率電機(jī)不僅能調(diào)節(jié)速度，在大功率電機(jī)運(yùn)行時(shí)減少運(yùn)行電能浪費(fèi)，節(jié)約了能源。節(jié)能節(jié)源是中國乃至全球應(yīng)對能源供不應(yīng)求的有效手段。因此本文首先闡述了高壓變頻器的工作原理分析應(yīng)用變頻器的節(jié)能優(yōu)勢，論述了其在節(jié)能改造中的實(shí)際應(yīng)用，以期為相關(guān)工作人員提供一些行業(yè)參考，通過對高壓變頻器的應(yīng)用，減少企業(yè)的電能成本，增加企業(yè)的市場競爭力。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；大功率電機(jī)；節(jié)能改造

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）9（b）-0000-00

引言

應(yīng)用高壓變頻的調(diào)頻功能對大功率電機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，促使設(shè)備的生產(chǎn)與消耗減少差異，并不斷趨向平衡，有效地避免了設(shè)備的輸入輸出不匹配現(xiàn)象，最終達(dá)到降低電能損耗、縮小企業(yè)成本的目的。變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速及變頻調(diào)速是當(dāng)前大功率異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的三種主流方式。比較而言，變頻調(diào)速是三者之中最先進(jìn)最優(yōu)越的調(diào)速方案，它具有轉(zhuǎn)矩大、精度高、實(shí)用性強(qiáng)、易于操作等特點(diǎn)，因而十分優(yōu)越于其他的兩種傳統(tǒng)方式。變頻是基于負(fù)載要求和速度與電壓調(diào)節(jié)的變化，改變它的供給電流的頻率，以獲得合理的工作點(diǎn)。在轉(zhuǎn)速不同的條件下，運(yùn)行時(shí)依舊保持穩(wěn)定的高速率，高壓變頻器的實(shí)際使用，不僅降低了單位電能的使用量，同時(shí)也改善了設(shè)備各方面的性能，延長了電機(jī)設(shè)備的工作壽命，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)收益。

1節(jié)能措施的國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外普遍采取的是能量回饋技術(shù)，主要是應(yīng)用高壓變頻器對大功率電機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，利用能量轉(zhuǎn)移回原始設(shè)備的功率消耗的反饋分量部分，從而達(dá)成降低能源損耗的整體效果。德國西門子公司研制的高壓電機(jī)的四象限運(yùn)行電壓型交流變頻技術(shù)已經(jīng)非常成熟，非常普遍。日本富士公司推出的FRENIC、 RHR系列再生能量裝置，也是十分有效、十分成熟的大功率電機(jī)改造的成品。但是國外的高壓變頻裝置總的說來價(jià)格偏高、對電網(wǎng)的專業(yè)要求也很高，不太適合中國工農(nóng)業(yè)共同發(fā)展的現(xiàn)階段基本國情。我國的技術(shù)已經(jīng)能夠支撐高壓變頻裝置的研發(fā)，技術(shù)上也較為成熟。高壓變頻器作為一種高效節(jié)約性產(chǎn)品，也已經(jīng)被普遍地使用在中國的各行各業(yè)。將變頻技術(shù)引入到中國工農(nóng)業(yè)的大功率電機(jī)設(shè)備的節(jié)能改造中，能在很大程度上節(jié)約電能，提高生產(chǎn)效率，減少單位產(chǎn)品的能量使用成本。高壓變頻器的應(yīng)用，為各行業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，也為整個(gè)社會(huì)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2高壓變頻器的工作原理和優(yōu)勢

2.1高壓變頻原理

高壓變頻器應(yīng)用單位復(fù)用復(fù)合技術(shù)。其內(nèi)在結(jié)構(gòu)是多個(gè)YWM功率單位串聯(lián)，并把高壓變頻器組件串聯(lián)，構(gòu)成電壓型變頻器系統(tǒng)。它由幾個(gè)YWM功率單位通過串聯(lián)組成，將高壓變頻器組件直接串聯(lián)構(gòu)成多級(jí)電壓型高壓變頻器。高壓變頻器采用多臺(tái)單相逆變器串聯(lián)連接，在多重疊加時(shí)，每臺(tái)逆變器中PWM的三角波有均勻的相位位移，致使高次諧波互相抵消，減少輸出電壓中的諧波含量，輸出波形十分接近正弦波，得到高壓交流電，從而實(shí)現(xiàn)高壓輸出。它對輸入和輸出變壓器的影響很小，因此設(shè)備內(nèi)在的電能消耗也隨之降低，并且隨著材料器件的集成化趨勢進(jìn)一步發(fā)展，電機(jī)所使用的變頻器的空間位置也將越來越窄。這種高壓變頻器具有高效率低能耗小體積的特點(diǎn)。

2.2節(jié)能原理

隨著企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，大功率電機(jī)也越來越普及，傳統(tǒng)低功率電機(jī)在工作時(shí)的恒定動(dòng)力消耗了較大的電能，造成了極大的成本浪費(fèi)。高壓變頻調(diào)速技術(shù)使大功率電機(jī)根據(jù)負(fù)載的增減情況不斷地調(diào)節(jié)原動(dòng)力，使得輸入和輸出電能平衡，有效地降低了電能損耗。功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速存在著關(guān)系：P=MV，降低大功率電機(jī)的原理就是這個(gè)式子的具體應(yīng)用。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，在電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)就及時(shí)通過高壓變頻器的電機(jī)頻率調(diào)節(jié)機(jī)制，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變來保持輸入、輸出電能的同步并最終平衡，達(dá)到大功率電機(jī)節(jié)能的目的。

2.3變頻調(diào)速的優(yōu)勢

三相異步電機(jī)的運(yùn)行區(qū)域包括最佳運(yùn)行區(qū)、普通運(yùn)行區(qū)以及不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。最佳運(yùn)行區(qū)的電機(jī)負(fù)載率最高，一般來說會(huì)高于70%，而不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)得負(fù)載率是最少的，大約是在40%以下。因此根據(jù)相關(guān)能耗規(guī)范，應(yīng)當(dāng)對平均負(fù)載率超過70%的大功率電機(jī)進(jìn)行改造。高壓變頻器的調(diào)頻原理是通過改變輸入電壓的頻率，來適應(yīng)電機(jī)設(shè)備負(fù)載的變化，并實(shí)現(xiàn)電能輸入與輸出均衡，來確保在最佳狀態(tài)的電力工作。調(diào)頻電機(jī)設(shè)備，以確保其有效運(yùn)作無論是在哪種電壓下，這樣不僅提高了電機(jī)的自我調(diào)節(jié)的能力，避免電機(jī)遭受沖擊，也達(dá)到了降低單位能耗，提高能源利用效率的目標(biāo)。

3高壓變頻器的實(shí)際應(yīng)用

3.1在大型工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻器技術(shù)已經(jīng)越來越成熟。高壓變頻器的變頻裝置已經(jīng)具備超高的預(yù)測能力和智能分析能力，對于高壓水泵、高壓風(fēng)機(jī)等這類對于負(fù)載隨著時(shí)間變化反應(yīng)較為靈敏的設(shè)備來說，它具有十分明顯的節(jié)能的作用，并還能通過特殊裝置起到一定的保護(hù)電機(jī)的作用。為此，本文對某鍋爐廠的大型鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行的節(jié)能改造并對改造前后的能量損耗作出對比，研究高壓變頻器在大功率電機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用。以鍋爐風(fēng)機(jī)這種相對大功率電機(jī)為例進(jìn)行分析，經(jīng)調(diào)查可知，它在變頻前的運(yùn)行功率大約是1880kW，變頻改造之后的功率是1400kW，從得到的數(shù)據(jù)我們可以分析，正常情況下它的單位年內(nèi)的工作天數(shù)是300天，單位天內(nèi)的工作時(shí)間是20小時(shí)，假設(shè)一度電是0.7元，那么變頻后的節(jié)約電量：

？Q=P1T1-P2T2=300×20×1880-300×20×1400=2880000kW·h；

W=？Q * 0.7=2016000=201.6萬元；

經(jīng)過以上的粗略估算，對這臺(tái)2 000 kW的電機(jī)節(jié)能改造后，這家鍋爐廠每年能節(jié)約的費(fèi)用多達(dá)200百萬余元。可以想象，對該鍋爐廠全部大功率電機(jī)都應(yīng)用高壓變頻器實(shí)行節(jié)能改造，那么節(jié)約的成本不可估量，高壓變頻器的應(yīng)用有效降低了企業(yè)在生產(chǎn)上不必要的電能消耗耗，極大地縮小企業(yè)成本。此外，大功率電機(jī)經(jīng)過改造后，在很大程度上保證了設(shè)備運(yùn)行的安全性，減輕了噪聲污染，延長了電機(jī)的使用壽命，減少了維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也避免了意外停機(jī)帶來的損失，環(huán)境，提高了企業(yè)自動(dòng)化控制水平，降低了勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度，在創(chuàng)造了良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也促進(jìn)了企業(yè)市場競爭力的提高。

3.2在電力系統(tǒng)晃電故障中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于雷擊、對地短路、故障重合閘、企業(yè)的電網(wǎng)故障、大型設(shè)備啟動(dòng)等原因，造成電網(wǎng)故障，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓瞬間增高呈不穩(wěn)定狀態(tài)或者造成瞬時(shí)斷電，但又能很快恢復(fù)正常的情況，稱為“晃電”。高壓變頻器在晃電故障中也有很大的作用。通過對變頻器的參數(shù)調(diào)整、增加變頻器的直流電源支撐系統(tǒng)及電氣控制回路電源改接UPS電源等措施，能有效保證變頻器在電網(wǎng)晃電時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。此外還可以將高壓變頻器主電路中的直流母線回路引出，并連接到直流支撐裝置的直流輸出接觸器上，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)晃電故障時(shí)，依靠直流支撐裝置蓄電池提供的穩(wěn)定電流提供給高壓變頻器，使大功率電機(jī)轉(zhuǎn)速不波動(dòng)或變頻器欠電壓保護(hù)不動(dòng)作，達(dá)到大功率電機(jī)不跳停的目的，確保電機(jī)在電網(wǎng)“晃電”時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4結(jié)論

總而言之，變頻器在大功率電機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用，有效地提高企業(yè)在單位電能內(nèi)的生產(chǎn)效率，在保證大功率電機(jī)在安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也降低了企業(yè)的維護(hù)、生產(chǎn)成本。就國內(nèi)工農(nóng)業(yè)的現(xiàn)階段發(fā)展而言，大功率電機(jī)應(yīng)用高壓變頻器的節(jié)能改造擁有著廣闊的發(fā)展前景和市場。

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