變頻器應(yīng)用1_第5章-變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益課件

1、變頻器應(yīng)用教程（第二版） 張燕賓 編著第5章變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益第5章變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益5.1拖動系統(tǒng)的節(jié)能空間5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能5.5從電動機的軸功率看節(jié)能5.6從電功率看水泵管路的節(jié)能5.7風(fēng)機變頻的節(jié)能5.8全面評價變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益5.1拖動系統(tǒng)的節(jié)能空間5.1.1工頻運行的浪費圖5-1空氣壓縮機的泄載5.1拖動系統(tǒng)的節(jié)能空間圖5-2鍋爐給水的回流(1)空氣壓縮機的泄載空氣壓縮機在工頻運行的情況下，5.1拖動系統(tǒng)的節(jié)能空間當(dāng)儲氣罐的壓力由于用戶用氣量減小而偏高時，必須通過泄載閥泄放掉部分壓縮空氣，以維持儲氣罐內(nèi)的壓力比較穩(wěn)定，

2、如圖5-1所示。(2) 鍋爐給水泵的回流在圖5-2所示的鍋爐給水裝置中，當(dāng)輸出的熱水流量QU不斷變化時，要求鍋爐汽包里的水位保持恒定。圖5-3中央空調(diào)的冷卻泵5.1拖動系統(tǒng)的節(jié)能空間(3) 中央空調(diào)冷卻泵的運行中央空調(diào)的冷卻泵是用來冷卻空調(diào)主機的。5.1.2大馬拉小車的節(jié)能空間1.工頻運行的大馬拉小車現(xiàn)象圖5-4工頻運行的大馬拉小車a)大馬拉小車現(xiàn)象b)大馬拉小車工作點5.1拖動系統(tǒng)的節(jié)能空間2.工頻運行時的IU曲線(1)滿載時的IU曲線如圖曲線所示，當(dāng)電壓為額定電壓UN時，電流等于額定電流I1N，最佳工作點為A點。(2)輕載時的IU曲線當(dāng)負(fù)載只有50kW，電動機輕載運行時，IU曲線如曲線所示

3、，如電壓仍為額定電壓時，工作點降至B點，電流減小至I1B。(3)機械損失毫無疑問，容量大的電動機，其轉(zhuǎn)子略重一些，內(nèi)部的風(fēng)扇葉也略大，故機械損失也略大。5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果5.2.1變速運行的節(jié)能空間1.基本分析2.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖5-5恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載減速后的功率a)全速運行b)低速運行5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果3.二次方律負(fù)載圖5-6二次方律負(fù)載減速后的功率a) 全速運行b) 低速運行5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果5.2.2調(diào)速方法與節(jié)能潛力1.機械調(diào)速圖5-7機械調(diào)速裝置的機械特性a) 機械調(diào)速裝置b) 機械特性曲線2.G-M直流調(diào)速系統(tǒng)5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果圖5-8龍門刨床的直流調(diào)速系統(tǒng)5.2.3

4、異步電動機的調(diào)速方法與功耗5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果1.機械特性與能量圖圖5-9機械特性與能量的關(guān)系a)機械特性曲線b)能量圖5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果2.轉(zhuǎn)子串入電阻的調(diào)速圖5-10轉(zhuǎn)子串入電阻后的能量圖a) 電路圖b) 機械特性c) 能量圖5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果3.電磁調(diào)速電動機的能量圖(1)電磁調(diào)速電動機的基本特點圖5-11電磁調(diào)速電動機a) 電動機構(gòu)成b)機械特性c) 能量圖5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果(2)功耗分析5.2.4變頻調(diào)速最節(jié)能圖5-12變頻調(diào)速的功率分配a) 機械特性b) 能量圖5.2調(diào)速方法與節(jié)能效果1.頻率下降后的電磁功率2.頻率下降后的損耗功率5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施5.

5、3.1大馬拉小車的節(jié)能1.基本分析圖5-13大馬拉小車的節(jié)能途徑a)電動機變頻調(diào)速b)降壓可以節(jié)能5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施2.額頻運行時的降壓方法圖5-14額頻輕載的降壓方法a) 加大基本頻率b) 降壓效果3.低頻運行時的降壓方法5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施(1)低頻輕載的降壓二次方律負(fù)載在低速運行時，極易出現(xiàn)大馬拉小車的狀態(tài)。圖5-15低頻輕載的降壓方法a)風(fēng)機消耗的低頻運行b) 低勵磁壓頻比c)I-U曲線(2)低頻重載的降壓(見圖5-16)5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施圖5-16低頻重載實例1) 實例分析某負(fù)載，阻轉(zhuǎn)矩等于2088Nm，根據(jù)工藝要求，5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施上限轉(zhuǎn)速為222r/min

6、，實行變頻調(diào)速后，對應(yīng)的上限頻率預(yù)置為30Hz。2) 節(jié)能方法將傳動比增大為6.5，則電動機的工作頻率必須提高到49Hz，而負(fù)載的折算轉(zhuǎn)矩減小為圖5-17低頻重載的節(jié)能a) 加大傳動比b)加大基本頻率5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施4.變頻器的自動節(jié)能功能5.3.2充分利用拖動系統(tǒng)釋放的能量1.拖動系統(tǒng)釋放能量(1)釋放動能拖動系統(tǒng)在高速運行時，動能較大，速度降低后，動能減小。圖5-18拖動系統(tǒng)的釋放能量5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施(2)釋放位能重力負(fù)載的重物在較高位置時，具有較大的位能，位置較低時，位能較小。2.共直流母線的節(jié)能圖5-19多臺變頻器的直流母線3.回饋單元的節(jié)能5.3變頻調(diào)速的節(jié)能措施圖5

7、-20回饋制動單元5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能5.4.1水泵管路的基本模型和節(jié)能的考察部位1.水泵裝置的基本模型圖5-21水泵裝置的基本模型5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能2.供水系統(tǒng)的主要參數(shù)(1)流量是單位時間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，在管道截面不變的情況下，其大小決定于水流的速度。(2)揚程是單位重量的水通過水泵所獲得的能量，符號是H。1) 靜態(tài)揚程是供水系統(tǒng)為了提供一定流量必須上揚的高度，也叫實際揚程，符號是HA。2) 動態(tài)揚程，是供水時克服了各部分管道內(nèi)的磨擦損失和其他損失后，使水流具有一定的流速所需要的揚程，符號是HD，動態(tài)揚程是不能用高度來表示的。3) 全揚程動態(tài)揚程與靜

8、態(tài)揚程之和，稱為全揚程，符號是HG，也叫工作揚程。(3)管阻是閥門和管道系統(tǒng)對水流的阻力，符號是R。5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能(4)壓力是表明供水系統(tǒng)中某個位置(某一點)水壓的物理量，符號是p。3.系統(tǒng)各部分的功率(1)系統(tǒng)輸入的全功率變頻器從電源吸取的三相電功率，也就是變頻水泵管路系統(tǒng)的全輸入功率。(2)變頻器的輸出功率也是電動機的輸入功率。(3)電動機的輸出功率(軸功率)就是電動機軸上輸出的機械功率，也是水泵的輸入功率。(4)水泵的輸出功率(流體功率)就是水泵在取水和供水管路中消耗的功率。5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能圖5-22各部分功率之間的關(guān)系5.4.2管路的基本特性與工作點5

9、.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能1.揚程特性圖5-23供水系統(tǒng)的揚程特性a) 全速時的揚程特性b) 不同轉(zhuǎn)速時的揚程特性2.管阻特性5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能圖5-24供水系統(tǒng)的管阻特性a) 閥門全開時的管阻特性b) 不同開度的管阻特性3.供水系統(tǒng)的工作點5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能圖5-25供水系統(tǒng)的工作點4.流體功率中的基本功耗5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能5.4.3流體功率的節(jié)能分析1.不同控制方式的節(jié)能效果(1)閥門控制法即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變(通常為額定轉(zhuǎn)速)。圖5-26不同控制方式的節(jié)能效果5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能(2)轉(zhuǎn)速控制法(3)兩

10、種方法的比較2.流體功率節(jié)能的特點(1)節(jié)能效果與流量的關(guān)系圖5-27節(jié)能效果與流量的關(guān)系a)流量大b) 流量小c)流量更小d)節(jié)能曲線5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能1) 并不是流量越小，節(jié)約的功率越多。2) 當(dāng)相對流量為0.6左右時，節(jié)能效果最好。(2)節(jié)能效果與靜揚程的關(guān)系水泵管路系統(tǒng)的類型很多，如供水管路、取水管路、循環(huán)水管路等。1) 高樓供水這是許多民用建筑的特點，如圖5-28所示。圖5-28供水泵站的特點a) 高樓供水與節(jié)能分析b)車間供水與節(jié)能分析5.4從水泵管路的流體功率看節(jié)能2) 車間供水大多數(shù)工廠的車間都是低層建筑，如圖5-28b所示。5.5從電動機的軸功率看節(jié)能5.5.1

11、電動機的負(fù)載功率1.調(diào)節(jié)閥門時的軸功率圖5-29從軸功率看節(jié)能a) 軸功率與流量的關(guān)系b) 軸功率節(jié)能與流量的關(guān)系5.5從電動機的軸功率看節(jié)能2.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時的軸功率3.軸功率的節(jié)能效果 5.5.2水泵效率引出的差異1.明顯的矛盾2.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時的水泵效率圖5-30水泵的效率曲線5.5從電動機的軸功率看節(jié)能3.調(diào)節(jié)閥門開度時的水泵效率5.6從電功率看水泵管路的節(jié)能5.6.1水泵低速運行的核心問題 (1) 設(shè)計裕量較大由于用戶的管道系統(tǒng)是各不相同的，水泵生產(chǎn)廠不可能對用戶的管道系統(tǒng)作明確的限定。(2) 低速運行的工況離心式水泵在額定頻率以下運行時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩下降較多，如圖5-31b曲線上的D點所示。圖

12、5-31水泵的低頻運行a) 水泵模型b) 低頻運行的工況5.6從電功率看水泵管路的節(jié)能5.6.2功能預(yù)置與節(jié)能效果圖5-32功能預(yù)置的影響a) U/f線b) 電流-電壓曲線5.6.3變頻泵節(jié)能小結(jié)5.6從電功率看水泵管路的節(jié)能1.節(jié)能的體現(xiàn)圖5-33變頻泵的節(jié)能小結(jié)5.6從電功率看水泵管路的節(jié)能2.各環(huán)節(jié)的節(jié)能特點(1)流體功率的節(jié)能效果，是比較兩種調(diào)節(jié)流量的方法的結(jié)果。(2)電動機軸功率的節(jié)能效果主要和轉(zhuǎn)速(從而也和流量)有關(guān)。(3)因為水泵在低速運行時，拖動系統(tǒng)處于大馬拉小車的狀態(tài)。5.7風(fēng)機變頻的節(jié)能5.7.1風(fēng)機的特性和工作點(1) 機械特性風(fēng)機也屬于二次方律負(fù)載，其機械特性和水泵類似

13、。(2) 風(fēng)壓特性在轉(zhuǎn)速不變的情況下，風(fēng)壓PF和風(fēng)量QF之間的關(guān)系曲線，稱為風(fēng)壓特性曲線，如圖5-34b曲線所示。(3) 風(fēng)阻特性在風(fēng)門開度不變的情況下，表示風(fēng)量與風(fēng)壓關(guān)系的曲線，如圖5-34b曲線所示。(4) 通風(fēng)系統(tǒng)的工作點風(fēng)壓特性與風(fēng)阻特性的交點，即為通風(fēng)系統(tǒng)的工作點，如圖5-34b N點。5.7風(fēng)機變頻的節(jié)能圖5-34風(fēng)機的特性a) 風(fēng)機示意圖b) 風(fēng)壓與風(fēng)阻特性5.7風(fēng)機變頻的節(jié)能5.7.2 風(fēng)量的調(diào)節(jié)方法與比較 (1) 調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的方法1) 調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度這時，轉(zhuǎn)速不變，故風(fēng)壓特性也不變，仍為曲線。圖5-35調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法比較5.7風(fēng)機變頻的節(jié)能2) 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速這時風(fēng)門開度不變，故

14、風(fēng)阻特性也不變，仍為曲線。(2) 兩種方法的比較由圖可知：在所需風(fēng)量同為QFX的情況下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法所節(jié)約的功率P與面積ABFG成正比。表5-1加熱爐鼓風(fēng)機的實測數(shù)據(jù)5.8全面評價變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益5.8.1故障率減少的效益1.直流電動機2.繞線轉(zhuǎn)子異步電動機3.電磁調(diào)速電動機(1)正在生產(chǎn)的那匹布報廢；(2)從發(fā)生故障到修復(fù)后重新生產(chǎn)的時間內(nèi)，由于不能生產(chǎn)造成的損失；(3)修理電動機所需的資金；(4)各種染料及其他材料的損失。5.8.2設(shè)備壽命延長的效益1.徹底消除供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)5.8全面評價變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益(1)起動時的水錘效應(yīng)異步電動機在全壓起動時從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，所需

15、時間只有0.25s。(2)停機時的水錘效應(yīng)如果讓水泵切斷電源，使之自由停機，供水系統(tǒng)的水頭將克服電機的慣性而使水泵急劇地停止。(3)產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。圖5-36水泵的全壓起動和變頻起動a) 全壓起動b)變頻起動5.8全面評價變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益(4)水錘效應(yīng)的消除采用了變頻調(diào)速后，可以通過對升速時間的預(yù)置來延長起動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，如圖5-36b所示。2.設(shè)備壽命延長的其他方面(1)機械磨損的減少采用變頻調(diào)速后，生產(chǎn)機械在運行過程中的平均轉(zhuǎn)速下降，故磨損減少，壽命延長。(2)機械的故障率大幅下降例如，卷取機械的磁粉離合器等易損件取消，減少了整臺機械的故障率。5.8.3產(chǎn)品質(zhì)量提高的效益(1) 螺桿擠壓機高速紡絲用螺桿擠壓機，根據(jù)工藝要求，螺桿的擠出壓力必須保持恒定，才能保證紡絲的質(zhì)量。5.8全面評價變頻調(diào)速的經(jīng)濟效