利用變頻器水泵節(jié)能分析.doc

利用變頻器水泵節(jié)能分析取代歐、美、日 變頻器 -全球最先進、安川技術-電磁干擾小-出口歐美、東南亞等國家全國聯(lián)保臺灣艾蘭德()壓力變送器利用變頻器水泵節(jié)能技術分析 一、變頻器基礎 VVVF是 Variable Voltage and Variable Frequency 的縮寫，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說的變壓變頻。 CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的縮寫，意為恒電壓、恒頻率，也就是人們所說的恒壓恒頻。 我們使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95左右。 無論是用于家庭還是用于工廠，單相交流電源和三相交流電源，其電壓和頻率均按各國的規(guī)定有一定的標準，如我國大陸規(guī)定，直接用戶單相交流電為220V，三相交流電線電壓為380V，頻率為50Hz，其它國家的電源電壓和頻率可能于我國的電壓和頻率不同，如有單相100V/60Hz、三相200V/60Hz等等，標準的電壓和頻率的交流供電電源叫工頻交流電。 通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作變頻器。為了產生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC）。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術語為inverter(逆變器)。由于變頻器設備中產生變化的電壓或頻率的主要裝置叫inverter，故該產品本身就被命名為inverter，即變頻器。 變頻器也可用于家電產品。使用變頻器的家電產品中不僅有電機（例如空調等），還有熒光燈等產品。用于電機控制的變頻器，可以改變頻率，從而也可以改變電壓和電流。但用于熒光燈的變頻器主要用于調節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的電池（直流電）產生交流電的設備也以inverter的名稱進行出售。 變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。 二、電機的旋轉速度為什么能夠自由地改變 r/min：電機旋轉速度單位，每分鐘旋轉轉數，也可表示為rpm。例如，4極電機60HZ 1800（同步轉速） r/min和4極電機50HZ 1500（同步轉速） r/min，電機的旋轉速度同頻率成比例。 本方案中所指的電機為三相異步電動機，在工業(yè)領域所使用的大部分電機均為此類型電機。感應式交流電機（以下簡稱為電機）的旋轉速度近似取決于電機的極數和頻率。由電機的工作原理決定電機的極數是固定不變的。由于該極數值不是一個連續(xù)的數值（為2的倍數，例如極數為2、4、6），所以不適合改變該值來調整電機的速度。另外，頻率是電機供電電源的電信號，所以該值能夠在電機的外面調節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉速度就可自由控制。 因此，以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機調速設備的優(yōu)選設備。n = 60f/p（n：同步速度，f：電源頻率，p：電機極數）。改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法，如果僅改變頻率，電機將被燒壞。特別是當頻率降低時，該問題就非常突出。為了防止電機燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓和電流。 例如：為了使電機的旋轉速度減半，變頻器的輸出頻率必須從50Hz改變到25Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從380V改變到約190V。 如果要正確的使用變頻器, 必須認真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數的下降。環(huán)境溫度升高10度，變頻器使用壽命減半。因此，我們要重視散熱問題！ 在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的，變頻器產生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產生的影響。通常，變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發(fā)熱量大概是多少，可以用以下公式估算：發(fā)熱量的近似值變頻器容量（kw）55w。在這里，如果變頻器容量是以恒轉矩負載為準(過流能力150%60s)。 如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器，并且也在柜子里面。這時發(fā)熱量會更大一些。電抗器安裝在變頻器側面或側上方比較好。這時可以用估算：變頻器容量（kw）60w。因為各變頻器廠家的硬件都差不多，所以上式可以針對各品牌的產品。 注意：如果有制動電阻的話，因為制動電阻的散熱量很大，因此安裝位置最好和變頻器隔離開，如裝在柜子上面或旁邊等。 三、怎樣才能降低控制柜內的發(fā)熱量呢 當變頻器安裝在控制機柜中時，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。根據機柜內產生熱量值的增加，要適當地增加機柜的尺寸。因此，要使控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要使機柜中產生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面，將會使變頻器有70%的發(fā)熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量，所以對大容量變頻器更加有效。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體，這樣效果也很好。變頻器散熱設計中都是以垂直安裝為基礎的，橫著放散熱會變差的！ 關于冷卻風扇，一般功率稍微大一點的變頻器都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。注意，控制柜和變頻器上的風扇都是要的，不能誰替代誰。 其他關于散熱的問題： 在海拔高于1000m的地方，因為空氣密度降低，因此應加大柜子的冷卻風量以改善冷卻效果。理論上變頻器也應考慮降容，每1000m降5%。但由于實際上因為設計上變頻器的負載能力和散熱能力一般比實際使用的要大，所以也要看具體應用，比方說在1500m的地方。但是周期性負載，如電梯，就不必要降容。 開關頻率。變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT，IGBT的發(fā)熱有集中在開和關的瞬間。因此開關頻率高時自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。有的廠家宣稱降低開關頻率可以擴容，就是這個道理。 四、矢量控制是怎樣使電機具有大的轉矩的 轉矩提升。此功能增加變頻器的輸出電壓，以使電機的輸出轉矩和電壓的平方成正比的關系增加，從而改善電機的輸出轉矩。 改善電機低速輸出轉矩不足的技術，使用矢量控制，可以使電機在低速，如（無速度傳感器時）1Hz（對4極電機，其轉速大約為30r/min）時的輸出轉矩可以達到電機在50HZ供電輸出的轉矩（最大約為額定轉矩的150%）。 對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做轉矩提升，轉矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉矩并不能和其電流相對應的提高。因為電機電流包含電機產生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。矢量控制把電機的電流值進行分配，從而確定產生轉矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數值。矢量控制可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。 五、變頻器的分類 1、 變頻器按其供電壓分為低壓變頻器 ( 220V 和 380V ) 、中壓變頻器 ( 660V 和 1140V ) 和高壓變頻器 ( 3KV、 6KV、6.6KV、10KV )。 2、 變頻器按其功能分為恒功率變頻器、平方轉矩變頻器、簡易型變頻器、通用型變頻器、電梯專用變頻器等。 3、 變頻器按直流電源的性質分為電流型變頻器和電壓型變頻器。 4、 變頻器按輸出電壓調節(jié)方式分為 PAM 輸出電壓調節(jié)方式變頻器和 PWM 輸出電壓調節(jié)方式變頻器。 5、 變頻器按控制方式分為 U/f 控制方式和轉差頻率控制方式兩種。 6、 變頻器按主開關器件分為IGBT、GOT、BJT三種。 7、 變頻器按外型分為塑殼變頻器 ( 小功率 )、 鐵殼變頻器 ( 多為中功率)、柜式變頻器 ( 大功率 ) 。 六、變頻器選型注意事項 變頻器不是在任何情況下都能正常使用，因此用戶有必要對負載、環(huán)境要求和變頻器有更多了解。 1、 負載類型和變頻器的選擇： 電動機所帶動的負載不一樣，對變頻器的要求也不一樣。 2、 風機和水泵是最普通的負載：對變頻器的要求最為簡單，只要變頻器容量等于電動機容量即可（空壓機、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂噴泉需加大容量）。 3、 起重機類負載：這類負載的特點是啟動時沖擊很大，因此要求變頻器有一定余量。同時，在重物下放肘，會有能量回饋，因此要使用制動單元或采用共用母線方式。 4、 不均行負載：有的負載有時輕，有時重，此時應按照重負載的情況來選擇變頻器容量，例如軋鋼機機械、粉碎機械、攪拌機等。 5、 大慣性負載：如離心機、沖床、水泥廠的旋轉窯，此類負載慣性很大，因此啟動時可能會振蕩，電動機減速時有能量回饋。應該用容量稍大的變頻器來加快啟動，避免振蕩。配合制動單元消除回饋電能。 6、 其他注意事項： 7、 長期低速動轉，由于電機發(fā)熱量較高，風扇冷卻能力降低，因此必須采用加大減速比的方式或改用6級電機，使電機運轉在較高頻率附近。 8、 變頻器安裝地點必需符合標準環(huán)境的要求，否則易引起故障或縮短使用壽命；變頻器與驅動馬達之間的距離一般不超過50米，若需更長的距離則需降低載波頻率或增加輸出電抗器選件才能正常運轉。 七、變頻器使用注意事項 1、 工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品一般要求為055，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在40以下。在控制箱中，變頻器的安裝應嚴格遵守產品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。 2、 環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內部易出現結露現象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。 3、 腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能，在這種情況下，應把控制箱制成封閉式結構，并進行換氣。 4、 振動和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內電磁開關之類產生振動的元器件。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。 5、 防止電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內儀表和電子系統(tǒng)，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導致控制單元失靈或損壞。 6、 防止輸入端過電壓。變頻器電源輸入端往往有過電壓保護，但是，如果輸入端高電壓作用時間長，會使變頻器輸入端損壞。因此，在實際運用中，要核實變頻器的輸入電壓、單相還是三相和變頻器使用額定電壓。特別是電源電壓極不穩(wěn)定時要有穩(wěn)壓設備，否則會造成嚴重后果。 八、調速節(jié)能原理從二個方面來說明： 1、風機水泵的節(jié)電原理就是用調速控制代替擋風板或節(jié)流閥控制風流量，這是一個節(jié)電的有效途徑。在用檔風板控制額定風量Q1=100%輸出時，則軸功率N1與面積AH1 OQ1成正比，若風量減半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，這是因為需要克服檔風板阻力增大風壓所致。如果采用調速控制同樣風量減半輸出時，轉數由n1降至n2，按風機參數比例定律畫出n2時的特性曲線，C點為新的工礦點，這時軸功率N2與面積CH3OQ2成正比，在滿足同樣風量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。 2、流體力學的觀點 流量轉速，壓力轉速2，軸功率轉速3，若轉速下降20%，則功率下降到51.2% ；若轉速下降50%，則軸功率下降到12.5% ，即使考慮調速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當可觀的。 為此，許多行業(yè)、如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機械、電力、建材、醫(yī)藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來水等行業(yè)都在許多設備中采用交流電機變頻調速技術，產生節(jié)電及增產的效果。 九、變頻啟動與傳統(tǒng)減壓起動方式的不同之處在哪里？ 籠型電機傳統(tǒng)的減壓起動方式有Y-q 起動、自耦減壓起動、電抗器起動等。這些起動方式都屬于有級減壓起動，存在明顯缺點，即起動過程中出現二次沖擊電流。軟起動與傳統(tǒng)減壓起動方式的不同之處是： （1）無沖擊電流。變頻器在起動電機時，通過逐漸增大頻率，使電機起動電流從零線性上升至設定值。 （2）可以實現水泵軟啟動、軟停止，對電網、水泵機械沒有沖擊電流。 （3）根據負載情況及電網繼電保護特性選擇，可自由地無級調整至最佳的起動電流和時間。 （4）缺相保護功能：工作時，變頻器隨時檢測三相線電流的變化，一旦發(fā)生斷流，即可作出缺相保護反應。 （5）過熱保護功能：通過變頻器內部熱傳感器檢測IGBT管散熱器的溫度，一旦散熱器溫度超過允許值后自動關斷頻率輸出，并發(fā)出報警信號。 （6）其它功能：通過電子電路的組合，還可在系統(tǒng)中實現其它種種聯(lián)鎖保護。 十、自動節(jié)能控制： 例如：將兩臺控制柜加上控制邏輯，可以組成一用一備方案，自動交替運行、如果蓄水池配上（液位變送器），則可以實現水池水位變頻調速運行，水位越高水泵轉速越低直到停止運轉。 十一、變頻器適用于哪些場合？ 原則上，籠型異步電動機凡需要調速的各種應用場合都可適用。目前的應用范圍是交流380V（也可660V），電機功率從幾千瓦到800kW。 變頻器特別適用于各種泵類負載或風機類負載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變負載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載場合，則具有輕載節(jié)能的效果。 十二、水泵運行工況表 從上表中可見用變頻調速的方法來減少水泵流量進行節(jié)能改造的經濟效益是十分顯著的，當所需流量減少，水泵轉速降低時，其電動機的所需功率按轉速的三次方下降； 當水泵轉速下降到額定轉速的10%即F=45Hz時，其電動機軸功率下降了27.1%，水泵節(jié)電率為27.1； 當水泵轉速下降到額定轉速的20%即F=40Hz時，其電動機軸功率下降了48.8%，水泵節(jié)電率為48.8； 當水泵轉速下降到額定轉速的30%即F=35Hz時，其電動機軸功率下降了65.7%，水泵節(jié)電率為65.7； 當水泵轉速下降到額定轉速的60%即F=30Hz時，其電動機軸功率下降了78.4%，水泵節(jié)電率為78.4% ； 十三、水泵節(jié)電率的計算： 計算公式：水泵節(jié)電率=1（變頻器運行頻率50Hz）3100% 例如：水泵轉速降低30，即變頻器運行頻率35Hz 水泵節(jié)電率1（35Hz50Hz）3100%65.7 水泵轉速降低20，即變頻器運行頻率40Hz 水泵節(jié)電率1（40Hz50Hz）3100%48.8 十四、節(jié)能計算? 對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：? 1、根據已知風機、泵類在不同控制方式下的流量負載關系曲線和現場運行的負荷變化情況進行計算。? 以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M-4型電動機，額定功率45kW。泵在閥門調節(jié)和轉速調節(jié)時的流量負載曲線如下圖示。根據運行要求，水泵連續(xù)24小時運行，其中每天11小時運行在90%負荷，13小時運行在50%負荷；全年運行時間在300天。? ? 則每年的節(jié)電量為：W1=4511（100%69%）300=46035kW.h W2=4513（95%20%）300 =131625kW.h ? W = W1W2=46035131625=177660kW.h ? 每度電按0.5元計算，則每年可節(jié)約電費8.883萬元。? 2、根據風機、泵類平方轉矩負載關系式：P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率。? 以一臺工業(yè)鍋爐使用的22 kW鼓風機為例。運行工況仍以 24小時連續(xù)運行，其中每天11小時運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調節(jié)時電機功耗按98%計算），13小時運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節(jié)時電機功耗按70%計算）；全年運行時間在300天為計算依據。? 則變頻調速時每年的節(jié)電量為：W1=22111（46/50）3300=16067kW.h ? W2=22131（20/50）3300=80309kW.h ? Wb = W1W2=1606780309=96376 k