变频节能的三个方面--控制网



变频节能的三个方面
企业：控制网 日期：2009-10-15
领域：变频器 点击数：1400
张燕宾 （1937-）

男，毕业于上海电机学院的工业企业自动化专业和吉林函授学院的数学系，高级工程师。
1969年前曾先后在长春工业大学和长春大学任教。曾任宜昌市自动化研究所副所长、宜昌市科委深圳联络处主任、宜昌市自动化学会理事长、湖北省自动化学会常务理事等职。退休于宜昌市自动化研究所。退休后从事变频调速技术的推广应用。主要工作有：每年应邀在各地主讲变频调速学习班；在各种杂志上发表介绍变频调速应用方面的文章百余篇；编写变频器应用方面的通俗读物。已经出版的著作有《SPWM变频调速应用技术》（第一、第二、第三版）、《变频调速应用实践》（主编）、《电动机变频调速图解》、《实用变频调速技术培训教程》、《常用变频器功能手册》、《变频调速460问》、《变频器应用教程》、《变频器的安装、使用和维护》等。

    时至今日，知道变频调速的人已经相当地普遍了。大多数人一提起变频调速，总是和节能挂起钩来。尤其是改革开放以来，由于各行各业的蓬勃发展，尽管我国在能源开发方面进展迅速，但还是跟不上需求的增长，节能问题始终处于相当突出的位置。变频调速的节能效果因此也格外地引人注目。

    总体上看，变频调速的节能，主要是三个方面，分述如下：

1 减少工频运行的浪费

    第一个方面，是工频全速运行时，拖动系统提供的能量超过了负载的需求，造成浪费。例如：

    （1）空压机的泄载

    空压机在全速运行的情况下，当储气罐内的压力太高时，常常用泄载阀放掉多余的压缩空气，使储气罐内的压力保持平稳。这放掉的压缩空气，实际上就是一种浪费，如图1（a）所示。

    （2）给水泵的回流

    锅炉的给水泵在全速运行的情况下，当锅炉内的水位太高时，通过回流阀将水泵打出去的水部分地回流到贮水罐中。这回流的水，也是一种浪费，如图1（b）所示。

                                       图1　浪费能源的实例

                                （a）空压机的泄载　（b）水泵的回流
1.1 调速运行的节能原理

    针对上述情况，如能根据需要调整转速，使机器的平均转速降下来，就可以节能。

    （1）恒转矩负载

    如图2（a）所示，是恒转矩负载调速运行的结果。带式输煤机在全速运行时，常常由于煤的堆积而浪费人力和物力，如果根据需要来调节输煤的速度，把平均运行转速降到额定转速的60%的话，则与全速运行相比，可以节能40%。

    （2）二次方律负载

    图2（b）是风机水泵类负载，被称为二次方律负载，当平均转速降到额定转速的70%时，与全速运行相比，可以节能66%。

    （3）调速节能的实质

    负载平均转速的下降，实际上是负载消耗的功率下降了。因此，通过降低平均转速来节能的实质，是电动机根据负载的实际需要提供机械功率，消除了因不必要的浪费而实现了节能。这是节能运行中最重要的一个方面。

                                     图2　降低平均转速的节能

                                （a）恒转矩负载　（b）二次方律负载

1.2 节能计算举例

    某纺织厂的排风扇，原来是全速运行的，采用变频调速后，非但能自动地调节车间内的温度和湿度，并且由于年平均转速nL’降为额定转速nLN的70%。

    nL’＝0.7nLN

    式中，nL’—负载的平均转速，r/min；

    nLN—负载的额定转速，r/min。

    负载所消耗的平均功率为：                        
    PL’≈ KP（0.7nLN）3

               ＝0.343 KP nLN3

               ＝0.343 PLN

    式中，PL’— 负载消耗的平均功率，kW；

        KP—系数；

        PLN—负载的额定功率，kW。

    节约电功率：

        ΔPL＝PLN－PL’＝0.657 PLN

    式中，ΔPL—节约的电功率，kW。

    假设电动机的容量为22 kW，则每台风扇节约的电功率为：

    ΔPL＝0.657×22＝14.45 kW

    按每天工作24小时、每年工作300天计，则每台风扇一年可节约电能：

    ΔW＝14.45×24×300＝104040kWh

    式中，ΔW—节约的电能，kWh。

    每kWh的电费按0.6元计，则一年可节约电费：

    Δ￥＝0.6×104040＝62424元≈6.24万元

    式中，Δ￥—节约的电费。

    可见，节能效果是十分可观的。

2 高拖动系统的效率

    节能的第二个方面，是通过提高设备的效率而获得的。

2.1 提高生产机械的效率

    这方面的典型例子是水泵。

    （1）水泵效率的计算

    水泵的输出功率PG与轴功率（输入功率，即电动机的输出功率）PP之比，即为水泵的工作效率，符号是ηP：

    ηP＝（1）

    式中，ηP—水泵的效率；

         PG—水泵的输出功率（供水功率），kW；

         PP—水泵的输入功率（轴功率），kW。

                                    图3　水泵的效率

    据有关资料介绍，水泵工作效率相对值η*的近似计算公式如下：

    ηP*＝C1（）－C2    （2）

    式中，ηP*—水泵效率的相对值；

          Q*—流量的相对值；

          n*—转速的相对值；

          C1 、C2—常数，由制造厂家提供。C1与C2之间，通常遵循如下规律：

     C1－C2＝１    （3）

    （2）阀门控制方式的水泵效率     

    当通过关小阀门来调节流量Q*时，由于转速不变，n*＝１，故比值Q* / n*＝Q*。

    就是说，采用调节阀门开度来调节流量时，水泵的效率将随着流量的减小而减小，如图3中的曲线①所示。

    （3）变频调速时的水泵效率    

    由式（2）可知：当采用调节转速的控制方式时，由于在阀门开度不变的情况下，流量Q*和转速n*是成正比的： 

    Q* / n*＝１

    ηP*＝１

    就是说，在变频调速的情况下，水泵的工作效率总是处于最佳状态，效率曲线如图3中之曲线②所示。

    所以，采用了变频调速，也就提高了水泵的效率。

2.2 提高电动机的效率

    （1）“大马拉小车”的浪费

    “大马拉小车”的含义是：电动机的有效转矩（在额定转速下是额定转矩）比负载的实际转矩大得多。

    要了解电动机在大马拉小车时的浪费，必须分析电动机在轻载运行时的功率损耗的情况。

    A．机械损失

    电动机在轻载运行时的机械损耗功率和额定运行时相差不多，而由于负载较轻，故机械损耗功率在输出功率中所占的比重增加了。

    B．铁损和铜损

    在异步电动机里，磁通的大小是和反电动势与频率之比成正比的。而反电动势的大小又等于电源电压与电阻压降之差：

    Φ1＝KΦ ＝KΦ     （4）

    式中，Φ1—电动机每极下的磁通，Wb；

       E1X—电动机一相绕组在频率为fX时的反电动势，V；

       fX—电动机的工作频率，Hz；

       KΦ—比例常数；

       U1X—电动机在频率为fX时的相电压，V；

       I1X—电动机的相电流，A；

       r1—电动机每相绕组的电阻，Ω。

    由式（4）知，如果电压偏高，而负载又较轻（从而电流I1较小）时，反电动势增大，磁通也增大，磁路趋向饱和，铁心里的涡流损失和磁滞损失增加。

    与此同时，由于磁路开始进入饱和段，励磁电流和定子电流I1也较大，如图4（a）所示，铜损也增加。

    可见，轻载运行时，电动机的输出功率减小，而损耗却增加了。所以，效率将降低，造成浪费。

    （2）提高效率的途径

    因为机械损失是无法改变的，所以，提高效率只能从减小铁损和铜损着手。

    由式（4）知，在轻载的情况下，如果适当降低电源电压，可使反电动势和磁通减小，磁路不再饱和，如图4（b）所示。非但铁损减小，且因为励磁电流的减小，铜损也减小了，从而电动机的效率得到了提高。

    变频器由于其U／f比可以任意调节，所以，针对大马拉小车的情形，可以十分灵活地实施降压节能，成为了变频节能的一大亮点。

                                    图4　电动机的矢量图

                           （a）大马拉小车时　（b）适当降低电压
    （3）低频轻载的节能措施　

    风机、水泵类二次方律负载在低频运行时，在不采取特殊措施的情况下，无一例外地处于大马拉小车的状态，如图5（a）所示，曲线①是风机的机械特性，曲线②是电压与频率成正比（转矩提升量等于0）时，电动机的有效转矩线。由图5（a）知，在转速等于50%额定转速时，电动机的有效转矩比负载的阻转矩大了许多，负荷率约只有0.28／0.96＝29%。

                                     图5　异步电动机带风机

                  （a）无补偿有效转矩　（b）低励磁U／f线　（c）低励磁有效转矩

    为了降低电动机在低频运行时的电压，转矩提升线应该选择“低励磁U／f线”。所谓低励磁U／f线，也叫负补偿U／f线，如图5（b）中之曲线④所示（曲线③是转矩提升等于0时的U／f线）就是说，在低频运行时，电压非但不增加，反而还要减小。所得的有效转矩线如图5（c）中之曲线⑤所示，在转速等于50%额定转速时，电动机的负荷率增加至0.28／0.50＝56%，从而提高了电动机的效率。为了防止启动困难，在预置U／f线时，也应该预置一点零速时的转矩提升量，如图（b）中之ΔUC所示。

    有一种叫“超能士”的变频器，能够自动地搜索最佳工作点，节能效果特别好。但由于搜索的过程较慢，动态响应能力很差。所以，只能用在风机、水泵类的二次方律负载上。

    （4）额频轻载的节能措施

    如图6（a）所示的拖动系统，55kW的电动机在额定频率下运行时，实际工作电流只有62A（额定电流为102.5A）。

    很明显，该电动机处于大马拉小车的状态。针对这种情况，可以通过适当加大基本频率来降低电动机的工作电压。例如，把基本频率加大为55Hz，变频器的输出电压为380V，则50Hz时，变频器的输出电压只有345V。从而实现了降压节能。

                                     图6　额频轻载的节能方法

                              （a）额频轻载实例　（b）降低电压的方法
    （5）低频重载的节能措施　

    有的生产机械，采用变频调速后，上限频率很低。这说明负载实际所需的功率比电动机的额定功率小很多，实际上也是一种大马拉小车。

    如图7（a）所示，有一台机器，电动机的数据是90kW、164.3A、1480r/min，计算出额定转矩等于580N?m。实际运行电流是150A，负荷率ξ＝0.91。实现变频调速后，根据工艺要求，上限频率只有30Hz。

                                     图7　低频重载的节能方法

                      （a）低频重载实例　（b）加大传动比　（c）加大基本频率

    任何调速电动机，当转速低于额定转速时，其有效功率都要随转速的下降而减小。异步电动机在30Hz时的有效功率是：

    PME＝PMN ＝90×＝54 kW

    式中，PME—电动机低频运行时的有效功率，kW；

        PMN—电动机的额定功率，kW；

        fX—电动机的实际工作频率，Hz；

        fN—电动机的额定频率，Hz。    

    负载侧的数据计算如下：

    电动机运行在30Hz时的转速：

        nMX＝nMN＝1480×＝888 r/min

    式中，nMX—电动机的实际转速，r/min；

        nMN—电动机的额定转速，r/min。

    负载的转速：

        nL＝nMX／λ＝888／4＝222 r/min

    式中，nL—负载的转速，r/min；

    　λ—传动比。

    负载的转矩：

        TL＝TMNλξ＝540×4×0.9＝2088 N m

    式中，TL—负载的转矩，N m；

        TMN—电动机的额定转矩，N m；

        ξ—电动机的负荷率。

    负载转矩折算到电动机轴上的折算值：

        TL’＝＝＝522 N m

    式中，TL’—负载转矩的折算值，N m。

    负载的功率：

        PL＝＝＝48.5kW

    式中，PL—负载的功率，kW。

    可见，负载只有48.5kW，而拖动它的电动机却是90kW的，属于大马拉小车。但是从转矩的角度看，电动机的额定转矩比负载的折算转矩大不了多少，又不是大马拉小车。怎样节能呢？

    如果把传动比加大为6.5，那电动机的转速就应该上升为1443 r/min，工作频率增大为49Hz，电动机的有效功率也就接近于额定功率了。从转矩看，负载的折算转矩减小为：

        TL’＝＝＝321 N m

    如图（b）所示。而电动机的额定转矩有580N m，负荷率只有：

        ξ’＝ ＝ ＝0.55

    于是，大马拉小车的特点体现了出来。再通过加大基本频率。例如，把基本频率加大为56Hz，则与50Hz对应的电压就只有340V，实现了降压节能。

    这个例子的实质，是把功率的大马拉小车，通过加大传动比，转化成转矩的大马拉小车后，再实施降压节能。

2.3 充分利用拖动系统释放的能量

    变频节能的第三个方面，是把拖动系统在运行过程中释放的能量充分利用起来。

    （1）拖动系统释放的能量

    拖动系统在运行过程中，常常会释放机械能。主要是两种情况：
 
    第一种是减速运行，高速运行时，拖动系统的动能较大，转速下降后动能减小。所以，拖动系统的减速过程，也是释放动能的过程，如图8（a）所示。

    第二种是重物下降的过程，重物在高处时位能较大，下降后，位能减少。所以，重物下降的过程也是拖动系统释放位能的过程，如图8（b）所示。

                                     图8　拖动系统释放能量

                     （a）拖动系统减速时释放动能　（b）重物下降时释放位能

    事实上，在这两种情况下，电动机都将处于发电机状态（再生制动状态），拖动系统释放的能量转换成了电能，使变频器的直流电压升高。一般情况下，是通过制动电阻和制动单元把升高了的直流电压消耗掉的。要是不消耗掉，而把它利用起来，就是节能的第三个方面。

    利用多余能量的方法主要有两种：

    一种叫作能源互补。当一台机器上有多台变频器时，可以把这些变频器的直流母线都并联起来，如图9所示。这样做的好处是：

    一方面，增大了直流电源的总容量，减小了直流电压的上升幅度。

                                     图9   直流母线并联

    另一方面，实现了能量的互补，因为多台电动机不大可能同时处于再生制动状态。于是，处于再生制动状态的电动机发出来的电，正好被其他电动机所利用。

    第二种方法是采用“回馈单元”。

    所谓回馈单元，就是当直流回路的电压超过某一限值时，把多余的直流电通过回馈单元逆变成三相交流电，并反馈到电网去。实际上相当于把拖动系统在运行过程中释放的能量（动能或位能）通过电动机转换成电能，又通过回馈单元反馈给电网，如图10所示。所以，是一种十分理想的节能方法。

                                     图10　回馈单元的接线

2.4 节能以外的经济效益

    采用了变频调速系统后，明显的节能效果只是经济效益的一个比较重要的方面，但绝不是经济效益的全部。

    （1）减少故障率的经济效益

    直流电动机的调速性能虽然优越，但它的故障率很高。每次发生故障，必将造成如下损失：

    A．正在加工过程中的工件报废。

    B．在处理和维修期间，不能进行生产造成的损失。

    C．维修费用本身的损失等。

    例如，印染机械通常由若干个单元构成，各单元之间要求布速同步。过去采用直流电动机控制，故障率较高，平均一个月要发生一次故障。改造为变频调速后，连续若干年未发生故障。某印染厂的厂长说，每发生一次故障所造成的损失（包括整匹布报废的损失、在一段时间内不能生产造成的损失以及修理费用等）足以购买许多台变频器，其经济效益由此可见。

    （2）延长设备寿命的经济效益

    主要有以下两种情形：

    A．由于平均转速下降而使设备寿命延长

    如风机、水泵、空气压缩机等在全速运行时，由于阻转矩很大，各部分的磨损以及主要部件所受到的应力都很大。采用了变频调速后，由于平均转速的降低，应力和磨损都大为减小，使机器的寿命得到延长。

    B．由于起动和停机过程得到改善而使设备寿命延长

    许多设备在直接起动和停机时，将因受到较大冲击而影响其使用寿命。

    各种设备中的压缩机在直接起动和停机时，因内部压力变化过大而影响使用寿命。

    C．直接起动将使供水的管道系统产生水锤效应，使阀门、接头和水管受到损坏，等等。

    采用变频调速后，由于加速和减速过程可以预置得比较缓慢，从而彻底地消除了水锤效应，延长了水泵和管道系统的寿命。

    这方面尚无准确的统计数字，但据部分用户反映，设备的使用寿命至少延长一倍以上。毫无疑问，这也是一种相当可观的经济效益。

    （3）提高产品质量带来的经济效益

    主要有如下几个方面：

    A．因实现无级调速而使质量提高

    例如，某厂用于研磨轴承外园的无心磨床，原来是齿轮调速，其转速不可能调得恰到好处。配用变频调速后，操作人员可以一边观察火花，一边调节转速，可以使加工过程达到最佳状态，从而提高了轴承表面的光洁度。

    B．因实现了闭环控制而使质量提高

    例如，某塑料厂的空气压缩机配用变频器后，实现了恒压供气，产品质量因压缩空气的压力稳定而得到了提高。

    C．因检测准确而使质量提高

    例如，某纺织厂的浆纱机，有十二个单元同步运行，原来凭手感通过调整锥形皮带来进行微调。非但费力，且调整的精度难以控制。采用了变频调速后，可使变频器显示输出电流，通过观察各单元电动机的电流大小作为进行微调的依据。非但调节方便，并且使产品的档次得到了提高，等等。

    产品的质量提高了，其价值也必升高，经济效益难以估量。

    （4）其他方面的经济效益

    例如，某钢厂的轧钢设备，通过燃烧重油来加热钢材。原来由人工控制，非但费油，并且烟囱里黑烟滚滚，周围居民怨声载道，还常被环保部门罚款。配用了变频器后，实现了恒压供油，既实现了节电和节油的目的，烟囱里不再冒黑烟了，环保问题也解决了。

    又如，某厂锅炉的鼓风机和引风机在采用了变频调速后，不但节省了电和煤，并且由于风机的转速下降了，噪音也大为减小。

    这无疑也是不容小视的经济效益。
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