變頻調(diào)速節(jié)電技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)
zui近兩年不少廠家打出變頻空調(diào)的廣告，它說明變頻空調(diào)好。好在哪里？主要是節(jié)電。變頻調(diào)速是一個節(jié)電的好技術(shù)。
什么叫變頻調(diào)速技術(shù)，它是一種以改變電機(jī)頻率和改變電壓來達(dá)到電機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)。大家都知道，目前，無論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。從大范圍來分，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)。過去的調(diào)速，多數(shù)用直流電機(jī)，由于直流機(jī)調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)。但直流機(jī)固有的缺點(diǎn)：滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，給人們帶來太大的麻煩。因此有人就想，如果把可靠簡單的籠式交流電機(jī)用來調(diào)速那該多好！因而就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速、液力偶和調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機(jī)、繞線式電機(jī)、同步機(jī)、這些都是交流電機(jī)。
到 20 世紀(jì) 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(xiàn)了對交流機(jī)來說的變頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動的中樞。因而說變頻調(diào)速是時代的產(chǎn)物，只有在技術(shù)高度發(fā)展的今天，才能實(shí)現(xiàn)。為什么說它是基于電力電子、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(fù)載狀態(tài)的檢測是由 cpu （ 32 位計算機(jī)）來完成，這是微電子器件發(fā)展的結(jié)果。三是內(nèi)置 4 — 20ma 接口和 rs485 接口可以和儀表、 dcs 相接，通過總線 profibus 、 interbus 通訊。
調(diào)速節(jié)能原理從二個方面來說明：
1、風(fēng)機(jī)水泵的節(jié)電原理就是用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量，這是一個節(jié)電的有效途徑。風(fēng)機(jī)的特性曲線如圖 1 所示。在用檔風(fēng)板控制額定風(fēng)量 q1 =100% 輸出時，則軸功率 n1 與面積 ah1 oq1 成正比，若風(fēng)量減半 q2 =50% 輸出時，則軸功率 n2 與面積 bh2 oq2 成正比，它比 n1 減少不多，這是因?yàn)樾枰朔n風(fēng)板阻力增大風(fēng)壓所致。如果采用調(diào)速控制同樣風(fēng)量減半輸出時，轉(zhuǎn)數(shù)由 n1 降至 n2 ，按風(fēng)機(jī)參數(shù)比例定律畫出 n2 時的特性曲線， c 點(diǎn)為新的工礦點(diǎn)，這時軸功率 n2 與面積 ch3oq2 成正比，在滿足同樣風(fēng)量 q2 情況下，軸功能降低很多，節(jié)省的功率耗損△ n 與面積 bh2h3c 成正比，可見節(jié)電效果十分顯著。
/圖1
2、流體力學(xué)的觀點(diǎn)
流量 ∝ 轉(zhuǎn)速
壓力 ∝轉(zhuǎn)速^2
軸功率∝轉(zhuǎn)速^3
若轉(zhuǎn)速下降 20%，則功率下降到51.2%
若轉(zhuǎn)速下降 50%，則軸功率下降到12.5%
即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。
為此，許多行業(yè)、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機(jī)械、電力、建材、醫(yī)藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來水等行業(yè)都在許多設(shè)備中采用交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，產(chǎn)生節(jié)電及增產(chǎn)的效果，下面舉幾個例子：
實(shí)例 1、空調(diào)類負(fù)載
家庭用的空調(diào)只有 0.5hp、1hp、2hp、3hp等，而工廠和賓館的空調(diào)容量要大的多，節(jié)電明顯。
北京麗都假日飯店動力中心是一個集中供冷、供熱的工廠，安裝有 20噸/小時蒸汽鍋爐3臺，300萬大卡溴化鋰制冷機(jī)4臺，負(fù)責(zé)動力廠周圍的麗都假日飯店、燕翔飯店、新萬壽賓館、學(xué)校、日本學(xué)校、德國學(xué)校及麗都飯店宿舍、托兒所、公園等涉外飯店、賓館、公寓、學(xué)校的供熱、供冷，供熱面積30萬平方米、供冷面積20萬平方米。91年，對水泵制冷機(jī)、引風(fēng)機(jī)采用變頻控制，節(jié)電明顯，一般在30～60%，年節(jié)電17.5萬kw，優(yōu)于其他調(diào)速方式。廣州市鳴泉居度假村在冷熱水、噴泉等設(shè)施上采用了變頻調(diào)速控制，節(jié)電效果非常好。我們深圳市的東華假日酒店的空調(diào)也采用了變頻調(diào)速，節(jié)電顯著、房間溫度適度。
實(shí)例 2、泵類負(fù)載
泵類負(fù)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。
茂名石化公司煉油廠從 1990年開始先后在蒸餾、裂解、加氫、糠醛、酮笨等20多條生產(chǎn)線上使用161臺變頻調(diào)速裝置。變頻器總功率達(dá)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(diào)節(jié)閥控制耗電999.9kw，而采用變頻調(diào)速電耗為396.7kw，節(jié)電603.2kw,節(jié)電率60.3%。采用變頻控制時，電機(jī)和泵的轉(zhuǎn)數(shù)下降，軸承等機(jī)械部件磨損減低，泵端密封系統(tǒng)不易損壞，電機(jī)故障率降低，維修工作量大為減少。94年后，該廠又采用了14套6kv大容量變頻裝置，節(jié)電40%到70%。1995年11月14日《中國石化報》*版“茂名石化公司煉油節(jié)能居同行前面”文章稱“僅通過變頻調(diào)速技術(shù)一年就節(jié)電2000萬千瓦時”。深圳梅林水廠首期設(shè)計日供水能力為60萬立方米，八套離心水泵有4套采用了高—低—高型變頻調(diào)速裝置，95年節(jié)電83萬度。深圳市益力礦泉水公司也在水泵上安置變頻調(diào)速裝置，取得了較好的節(jié)電效果。
實(shí)例 3、電梯高架游覽車類負(fù)載
由于電梯是載人工具，要求拖動系統(tǒng)可靠，又要頻繁的加減速和正反轉(zhuǎn)，電梯動態(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。過去電梯調(diào)速直流居多，近幾年逐漸轉(zhuǎn)為交流電機(jī)變頻調(diào)速，無論是日本，還是德國。我國不少電梯廠都爭先恐后的用變頻調(diào)速來裝備電梯。如上海三菱、廣州日立、青島富士、天津奧的斯均采用交流變頻調(diào)速。不少原來生產(chǎn)的電梯也進(jìn)行變頻改造。
許多人坐過深圳世界之窗的單軌高架游覽車，該車行駛中頻繁起動、停車、上坡、下坡，并要求起停平穩(wěn)，車速恒定。由于是載人車，運(yùn)行必須安全可靠，常年日曬雨淋，環(huán)境惡劣。以往要求調(diào)速性能高的傳動裝置，多采用帶測速反饋的矢量控制系統(tǒng)，價格較高。為了降低價格，并維修方便，我們采用了通用型變頻器轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，成功解決了起動 /加速、停車/減速、恒速/變速行駛等，并防止了“下滑”、“沖站”現(xiàn)象的產(chǎn)生，達(dá)到了安全可靠，用戶非常滿意。這次改造是由我們深圳華能電子有限公司完成的。
案例 4、攪拌機(jī)類負(fù)載
化工、醫(yī)藥行業(yè)攪拌機(jī)非常之多，采用變頻調(diào)速取代其他調(diào)速方式，好處特多。
東北制藥廠氫化發(fā)酵崗位共有 8臺6.5噸發(fā)酵罐，電機(jī)功率為18.5kw，原為齒輪調(diào)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(diào)速后，年節(jié)電8.6萬kw，發(fā)酵過程明顯好轉(zhuǎn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了維修，僅減少三角帶費(fèi)用就節(jié)省3萬元，減少了工人勞動強(qiáng)度，有益于工廠，有益于工人。又如：石家莊華曙制藥廠用10套315kw變頻器拖動攪拌機(jī)在制藥工藝中生產(chǎn)*。
實(shí)例 5 、注塑機(jī)類負(fù)載
注塑機(jī)是塑料加工成型的關(guān)鍵設(shè)備，數(shù)量多，耗電大。過去的節(jié)電方式多為通過△型轉(zhuǎn)換 y 型（星型）來節(jié)電的，效果一般。采用變頻器調(diào)速不改變注塑機(jī)原來的結(jié)構(gòu)，控制油泵幾個過程的壓力或流量（如鎖模、合模、射膠、保壓、脫模、退模等），可節(jié)電 20%～52% ，較好的取代過去的比例閥節(jié)流調(diào)速方式，大幅度降低能耗，珠三角的不少注塑廠都進(jìn)行了變頻改造。改造注塑機(jī)時，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)保類負(fù)載
環(huán)境保護(hù)越來越被重視，它關(guān)系到人類賴以生存的環(huán)境，連申奧也有環(huán)境指標(biāo)。于是乎清潔能源、綠色城市均出現(xiàn)了。變頻調(diào)速可用在三個方面的環(huán)保類負(fù)載。一是工業(yè)污水處理，二是垃圾電廠，三是工業(yè)排煙、排氣、除塵的控制。如廣州煉油廠，改用曝氣機(jī)污水處理的攪拌設(shè)備，采用籠式電機(jī)變頻調(diào)速后，提高產(chǎn)品可靠性，節(jié)電 40% 以上，同時提高了活性污泥微生物群的壽命，提高了污水處理的效果。再如佛山垃圾電廠在工藝中選用 52 臺變頻器?？梢娮冾l調(diào)速已成為環(huán)境保護(hù)的主要設(shè)備。中國石化總公司制定一個熄滅火炬（主要指大煉油廠的可燒氣體）計劃，即是把可燃?xì)怏w輸送到用變頻調(diào)速的壓縮機(jī)柜回收。
實(shí)例 7 、音樂噴泉類負(fù)載
非常招攬游人的音樂噴泉，其水的高低和量的大小是靠變頻控制的。亞洲噴水zui高的廣東河源市音樂噴泉和規(guī)模很大的山東濟(jì)南泉城廣場音樂噴泉均屬于此，即節(jié)電又效果頗佳，在施工音樂噴泉時，要注意變頻器諧波對控制系統(tǒng)的干擾。
實(shí)例 8 、卷煙機(jī)類負(fù)載
卷煙行業(yè)過去進(jìn)口的卷煙機(jī)，不論莫林 8 、還是莫林 10 ，均非無級調(diào)速。因而，在卷煙行業(yè)主要是解決無級調(diào)速和可靠性問題，技術(shù)簡單，變頻器用法簡單，收效*。
昭通卷煙廠十九臺進(jìn)口的格蘭特 4 卷接包裝聯(lián)合機(jī)組采用變頻調(diào)速后，日增產(chǎn)香煙 200 箱， 200 箱香煙的利稅相當(dāng)于 19 臺變頻器的價格，即一天收回投資。因而，卷煙機(jī)改造迅速，受益很大。現(xiàn)在國產(chǎn)的煙機(jī)大部分都裝備了變頻調(diào)速功能。
實(shí)例 9 、大型窯爐煅燒類負(fù)載
冶金、建材、燒堿等大型工業(yè)轉(zhuǎn)窯（轉(zhuǎn)爐）以前大部分采用直流、整流子電機(jī)、滑差電機(jī)、串極調(diào)速。由于這些調(diào)速方式或有滑環(huán)、或效率低，近年來，不少單位采用交流變頻控制，效果很好。
株州冶煉廠鋅浸出渣揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯是回收鋅的主體設(shè)備，共有三臺。窯外徑 2.8 米，長 44 米，原用正流子電機(jī)和滑差電機(jī)拖動，故障多，經(jīng)常跳閘，維修量*。由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，導(dǎo)電塵埃多，電機(jī)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，嚴(yán)重的影響了生產(chǎn)。 91 年 6 月該廠完成了回轉(zhuǎn)窯的變頻調(diào)速改造。運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、操作簡單，沒有發(fā)生因電機(jī)拖動故障而影響生產(chǎn)。年節(jié)電 12 萬度，超產(chǎn) 117.82 萬元。唐山堿廠輕灰煅燒爐是純堿生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備，直徑 3.6 米，爐身長 30 米，總重 266 噸，采用 220kw 變頻器拖動，低頻啟動好，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，可靠性高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，使該煅燒爐的生產(chǎn)進(jìn)入全國*行列。
實(shí)例 10 、吊車、翻斗車類負(fù)載
吊車、翻斗車等負(fù)載轉(zhuǎn)矩大且要平穩(wěn)，正反頻繁且要可靠。變頻裝置控制吊車、翻斗車滿足這些要求。
獨(dú)子山石化廠酮苯車間為三臺過濾器的安裝而設(shè)置一臺 20 噸橋式起重機(jī)，工藝要求防爆，采用防爆籠型電機(jī)。原生產(chǎn)的吊車主鉤、輔鉤、大車、小車無調(diào)速功能，不能定位。力矩小，吊起物體下滑，無法吊裝 19 噸重的過濾器機(jī)座，使該車間晚開工一年多，損失千萬元。 91 年 7 月采用變頻調(diào)速加制動功能，使主鉤、輔鉤、大車、小車五臺電機(jī)由一臺變頻器控制，效果很好。過載試驗(yàn)吊起 22 噸，很快把 3 臺各重 40 噸的過濾機(jī)安裝在 10 米高二層平臺的機(jī)位上。
碼頭港機(jī)、車站龍門吊、貨場堆取料機(jī)等都可以采用變頻調(diào)速裝置，以達(dá)到可靠、平穩(wěn)、節(jié)電、少維修的目的。
變頻調(diào)速裝置，除節(jié)電顯著外，還是某些生產(chǎn)工藝中必需的設(shè)備。如
實(shí)例 11 、轉(zhuǎn)爐類負(fù)載
轉(zhuǎn)爐類負(fù)載，用交流變頻代替直流機(jī)組簡單可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。
1994 年 5 月 1 日，承德鋼鐵公司煉鋼廠三套 20 噸轉(zhuǎn)爐直流拖動系統(tǒng)全部處于故障狀態(tài)。擬尋找一個“又快又好”的恢復(fù)生產(chǎn)的調(diào)速方式，請來了我國電氣轉(zhuǎn)動專家劉宗富教授。在劉教授的建議下，由該公司定案， 20 噸轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降采用交流變頻調(diào)速拖動。從供貨到安裝、調(diào)試、經(jīng)過 13 天，三臺轉(zhuǎn)爐全部正常投入生產(chǎn)。這是我國 20 噸轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降*次采用變頻調(diào)速。經(jīng)過多年的生產(chǎn)應(yīng)用，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，技術(shù)指標(biāo)*工藝要求。轉(zhuǎn)爐、氧槍主傳動系統(tǒng)引起的熱停工減少 90% 以上，年增產(chǎn) 1.5 萬噸鋼，節(jié)電 22 萬度，直接經(jīng)濟(jì)效益 231 萬元。為鋼廠以后穩(wěn)定的生產(chǎn)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng) 1995 年通過機(jī)械工業(yè)部鑒定，并被河北省評為技術(shù)進(jìn)步一等獎。
實(shí)例 12 、特種電源類負(fù)載
許多電源，如實(shí)驗(yàn)電源，飛機(jī)拖動電源（ 400hz ）都可用變頻裝置來完成，好處是投資少、見效快、體積小、操作簡單。
粘膠纖維行業(yè)紡絲設(shè)備多數(shù)是高速電機(jī)，眾多的紡綻電機(jī)為 150hz/160v 。*以來，國內(nèi)粘膠行業(yè)一直使用電動——發(fā)電機(jī)組中頻電源供電，稱動變頻。由于這種方法弊病太多，而逐步采用交流變頻電源供電，稱靜變頻。邵陽化纖廠是我國粘膠行業(yè)zui早自行應(yīng)用靜變頻的廠家，八臺 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，比動變頻有明顯的優(yōu)勢。
a. 可靠。運(yùn)行多年，未發(fā)生故障跳閘。
b. 運(yùn)行穩(wěn)定，電壓、頻率波動極小。
c 調(diào)頻方便，為工廠生產(chǎn)不同捻度的絲餅創(chuàng)造了條件。
d. 噪音小，改善了操作人員的環(huán)境。
e. 提高了產(chǎn)品質(zhì)量。該廠一期工程（采用動變頻供電），粘膠長絲合格率僅 55.1% ，一等品合格率為零，二等品合格率為 20% ，而二期工程（采用靜變頻供電）平均合格率 98.12% ，一等品合格率 88.7% 。
f. 增加了產(chǎn)量。一期工程設(shè)計能力 2000 噸 / 年，試生產(chǎn)半年，產(chǎn)量僅 365.53 噸，而二期工程設(shè)計能力 1000 噸 / 年，試生產(chǎn)半年，生產(chǎn)長絲 685.25 噸，大大超過設(shè)計能力。
g. 節(jié)電 13%
由于靜變頻為粘膠行業(yè)帶來*的好處，不少企業(yè)，如吉林化纖廠、九江化纖廠、宜賓化纖廠、湖北化纖廠、丹東化纖廠、濰坊化纖廠（除宜賓外，均屬上市公司）等均采用了靜變頻技術(shù)。
變頻調(diào)速除節(jié)電外，還有增產(chǎn)、降耗、的效果。由于它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強(qiáng)、工藝*、功能豐富、保護(hù)齊全、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，深受使用人員歡迎，變頻調(diào)速確是節(jié)能、降耗、、高產(chǎn)的理想設(shè)備，是邁入 21 世紀(jì)的首要的傳動技術(shù)，利國利民。