从原理谈变频调速在供水装置上的运用
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0.引言
根据统计，泵和风机类负载的用电量占电动机用电的50%左右,占全国用电量的30%以上。在工业生产中，泵和风机的交流感应电动机是主要的电力负荷，为了满足工艺生产的各种要求，许多交流电动机的生产设备需要调速运行。近十几年来，随着电力、电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟，并且变频调速以效率高、调速范围大、调速效率高、无级调速等优点，在各种交直流调速系统中，尤其是在节能技术改造中，变频技术的应用越来越广泛。在设计或者实际应用过程中，经常遇到使用变频调速器是否能达到节能要求，能否满足工艺生产要求等问题。本文通过分析变频调速技术节能与负载特性的关系，以供水系统为例，叙述节能与工艺的关系，同时给出了一些计算公式和数值。
1.电机节能原理
1.1电机变频调速原理
所谓变频调速就是采用大功率电子器件(如巨型晶体管GTR、绝缘栅双极型功率晶体管)将380V、50Hz的市电变换为用户所要求的交流电源或其他电源。常见的变频技术有交一交变频技术(直接变频)和交一直一交变频技术(间接变频)。
1.1.1交一交变频技术交一交变频技术是把380V、50Hz的市电直接变成频率低的交流电源。交一交变频电路一般采用三相桥式电路。此技术最高输出频率只能是电网频率的1／3以下，所以在变频领域逐渐被淘汰。
1.1.2交一直一交变频技术交一直一交变频是将市电整流成直流电，再变频为要求频率的交流电。交一直一交变频分为谐振变频和方波变频。谐振变频主要用于中频加热；方波变频又分为等幅、等宽变频和SPWM变频。交一直一交变频电路由整流器、滤波环节和逆变器三部分组成。根据中间滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型，使用最多的是电压型变频调速器。变频器工作时，首先将三相交流电整流为直流电，直流电经过平滑滤波后，在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为可调的三相交流电压和频率，达到最终变频目的。SPWM变频主要原理是用三角调制波与参考正弦波相比较，产生正弦脉宽SPWM信号，以控制功率器件的开关，得到按正弦规律变化的脉冲序列，实现同时变频变压。变频调速是指电动机改变频率后，仍在该频率的同步转速附近运行，不增加转速损失的调速方式。所以变频调速是一种高效的调速方式。变频器的调速范围可达1%-100%，并在整个调速范围内具有较高的调速效率。根据电机学的原理可知：异步电动机的转速与频率有以下关系：n=60f(1-S)／P，式中，f为电源频率；为电动机转差率；P为电动机极对数。当P和S确定后，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变转速n，从而实现变频调速。因此变频调速方式非常适合于调速范围宽，负荷经常变化的运行设备。选择最佳运转速度，可实现低速启动、平滑调速，最高速度不受电源影响，可以达到电动机高速化、小型化的目的。交流变频器的基本工作原理如图1所示，交流工频电流先经过整流系统变成直流电后，再用正弦波脉宽调制技术逆变为频率、幅度都能可调的三相交流电，再以受控方式将交流电供给三相异步电动机，受控交流电的频率随着三相异步电动机的运行状况改变而改变，从而满足电动机的运行需要。变频器的保护系统保证可靠的工作，保护电动机运行系统的安全，并显示故障类型。可通过操作屏上的显示器观察到二次电压、二次电流、频率和出轴转速的变化等。
1.2变频节能原理
风机、水泵类属于平方转矩负荷，即转矩M与转速N的平方成正比，电动机轴上的输出功率P与转速N的三次方成正比。因此电动机转速稍微下降时，电动机输出功率就会大幅度下降，耗电量也随之大为减少。当转速下降1／2时，流量下降1／2，压力下降1／4，功率下降为1／8，即功率与转速成3次方的关系下降。在生产中，电机安装变频调速器后，降低泵的转速，泵的扬程也相应降低，电机的电耗也相应降低，使原来消耗在泵出口阀上的功率也得到了解决。由于采用恒转矩特性，变频降速后的电机转矩不变，拖动力矩恒定，可以保证流量，从而实现了节约电能的作用。
2.1变频调速在恒压供水装置上的节能实例目前，恒压供水用于许多供水系统上，我们以某180kA大型铝电解企业的铸造生产循环水供水系统为例。该厂铸造车间应用2台55kW冷却水泵，2台30kW热水泵，形成循环供水。平常工作方式为一开一备，水压限于0.MPa左右。在此条件下，测得冷泵实际电流为44A（额定电流为102A），热泵电流32A（额定电流为56A）。如果按一年工作360日，调速30-50Hz，随机分布来计算，结果可以节约电量：热泵30×24×360×（56-32）／56=111085(度)；冷泵55×24×360×（102-44）／102=270211(度)，按每度0.5元计算每年可以节约[111085(度)+270211(度)]×0.25=95324元。水泵使用变频调速后，省电效果非常明显。
2.2速在恒压供水装置上的其它优点除了节约能量外，采用变频调速这种恒压供水还有如下好处：稳定水压，防止由于人为操作阀门引起水压变化不一，引起厂房水淹而影响正常生产工作。此外每次生产需要开动的铸造机组数量不同，用水量不一样，交接班期间几乎有一个小时左右不用开动机组，在这种情况，如果人为调节阀门，不但工艺落后，而且容易出现人为的误调、漏调，造成能源设备的浪费，如果采用变频调速则根据管路水流量或压力大小自动调节电机转速，保持一个设定值，达到了改善供水工艺条件的目的。
3.结语
随着世界经济的发展，变频调速技术已成为我国节能的一项重点推广技术。实践证明变频调速技术是一种非常理想的调速控制方式，既提高了设备效率，又满足了工艺生产要求，并且大大减少了设备维护和维修费用，缩短了停产周期，最终得到的直接和间接的经济效益十分显著。变频调速技术在整个国民经济的发展中，具有广阔的应用前景。
