電機(jī)目前使用幾種主要節(jié)能方案與比較課件

電機(jī)目前使用的幾種主要節(jié)能方案及比較1電機(jī)目前使用的幾種主要節(jié)能方案及比較1目錄1.風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)節(jié)2.液力耦合器調(diào)速3.串級(jí)和雙饋調(diào)速（轉(zhuǎn)子側(cè)）4.變頻調(diào)速（定子側(cè)）2目錄1.風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)節(jié)2風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)節(jié)工作原理

風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載一般稱二次型負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速二次方成比例，功率與轉(zhuǎn)速三次方成比例。當(dāng)ω<0.6nN時(shí)，轉(zhuǎn)矩和功率已很小，再往下調(diào)已無意義，因此調(diào)速范圍一般限制在40％。在調(diào)速性能方面，對(duì)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)無嚴(yán)格要求。3風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)節(jié)工作原理31.液力耦合器調(diào)速的工作原理工作原理

如采用液力耦合器調(diào)速，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸連接到液力耦合器，而負(fù)載連接到液力耦合器，電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電，電動(dòng)機(jī)仍全速運(yùn)行。液力耦合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)量矩變化，來傳遞電動(dòng)機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的。電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力耦合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載，這樣，可以通過控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，達(dá)到控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速的目的。液力耦合器也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)。41.液力耦合器調(diào)速的工作原理工作原理41.變頻器調(diào)速的工作原理工作原理

電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與負(fù)載直接相連，但電動(dòng)機(jī)不再由電網(wǎng)直接供電，而是由變頻器供電，變頻器通過改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速，而且在全范圍內(nèi)具有優(yōu)異的效率和功率因數(shù)特性。采用變頻調(diào)速后，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f(1-s)/p，其中f為變頻器輸出頻率，s為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。51.變頻器調(diào)速的工作原理工作原理5變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較功率損耗的原因

電動(dòng)機(jī)本身功率損耗除外，無論是變頻調(diào)速還是液力耦合器調(diào)速，均存在額外的功率損耗。液力耦合器從電動(dòng)機(jī)輸出軸取得機(jī)械能，通過液力變速后送入負(fù)載，其效率不可能為1；變頻器從電網(wǎng)取的電能，通過逆變后送入電動(dòng)機(jī)電樞，其效率也不可能是1。而且在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，兩種方式的效率曲線也不一樣。6變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較功率損耗的原因6變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較圖1“兩種調(diào)速方式效率曲線”為典型的液力耦合器和變頻器（高高變頻器）的效率－轉(zhuǎn)速曲線，隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低，液力耦合器的效率基本上正比降低（例如：額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率0.95，75%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.72，20%轉(zhuǎn)速時(shí)效率約0.19）；而變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時(shí)效率仍然較高（例如：額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率0.97，75%以上轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.95，20%以上轉(zhuǎn)速時(shí)效率大于0.9）。7變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較圖1“兩種調(diào)速方變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較曲線分析：從曲線數(shù)據(jù)看，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，液力耦合器的效率比變頻調(diào)速的效率下降快得多，因此變頻調(diào)速的低速特性比液力耦合器要好。當(dāng)用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載時(shí)，由于其軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，雖然液力耦合器效率正比下降，但電動(dòng)機(jī)綜合軸功率還是隨著轉(zhuǎn)速的下降成二次方比例下降，因此也能起到節(jié)能作用。變頻調(diào)速通過電力電子整流和PWM逆變技術(shù)改變電動(dòng)機(jī)定子的電壓和頻率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不變外，電力電子器件的損耗基本上與輸出功率成正比，因此變頻調(diào)速可以在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持較高效率運(yùn)行。液力耦合器依靠泵和渦輪傳遞能量，在低速輸出時(shí)，泵和渦輪的效率均下降，因此綜合效率隨轉(zhuǎn)速下降而下降。

8變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較曲線分析：8變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較理論計(jì)算節(jié)能比較1000kW風(fēng)機(jī)風(fēng)量從100%降低到70%，由于流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比，因此轉(zhuǎn)速可以降低70%，負(fù)載功率理論上降為34.3%，如果采用直接高高變頻調(diào)速，其效率按0.95算，再考慮電動(dòng)機(jī)效率在低功率時(shí)有所下降、和管道系統(tǒng)效率有所下降，電網(wǎng)總輸入功率約34.3%/0.95/0.85/0.95=44.71%，即447.1kW，節(jié)能55.29%，全年按300日計(jì)算，年節(jié)電398萬度。如果采用液力耦合器，其效率按0.665計(jì)算，電網(wǎng)總輸入功率約34.3%/0.665/0.85/0.95=63.87%，即638.7KW，節(jié)能36.13%，年節(jié)電260萬度。列表如下。9變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的節(jié)能比較理論計(jì)算節(jié)能比較9變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較功率因數(shù)變頻調(diào)速可以在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高功率因數(shù)運(yùn)行（例如20%以上轉(zhuǎn)速時(shí)功率因數(shù)大于0.95%），液力耦合器低速運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)低于電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)，如果在70%以下轉(zhuǎn)速時(shí)，功率因數(shù)將低于0.7。采用液力耦合器如果需要提高功率因數(shù)，則需另加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。起動(dòng)性能采用變頻調(diào)速時(shí)，對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，其起動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)無沖擊。液力耦合器不能直接改善起動(dòng)性能，起動(dòng)電流達(dá)到額定電流的5-7倍。起動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊相當(dāng)大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。10變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較功率因數(shù)10變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較運(yùn)行可靠性、運(yùn)行維護(hù)液力耦合器工作時(shí)是通過一導(dǎo)管調(diào)整工作腔的充液量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉(zhuǎn)速來滿足工況要求；因此，對(duì)工作腔及供油系統(tǒng)需經(jīng)常維護(hù)及檢修。耦合器運(yùn)行時(shí)間稍長(zhǎng)，會(huì)漏油嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境污染大，地面被油污蝕嚴(yán)重。

如果液力耦合器出現(xiàn)故障，無法直接定速運(yùn)行，必須停機(jī)檢修。電機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音大，會(huì)影響運(yùn)行人員的身體健康。運(yùn)行振動(dòng)大，電機(jī)和軸承溫升高，會(huì)降低風(fēng)機(jī)和電機(jī)的使用壽命。

后期使用、維護(hù)、維修費(fèi)用大。高壓變頻裝置目前技術(shù)已趨成熟，尤其是單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置具有單元自動(dòng)切換和冗余運(yùn)行特性，在單元故障時(shí)可不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行，可靠性得以保證，而且檢修維護(hù)相當(dāng)容易，只需定期更換進(jìn)風(fēng)濾網(wǎng)即可。在加速期間大大減小了噪聲，削弱了噪聲污染。由于不用定期拆換軸承或者對(duì)液力耦合器進(jìn)行維修，避免了機(jī)油對(duì)環(huán)境的污染，使風(fēng)機(jī)房的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有了極大改善。由于電機(jī)降低速度運(yùn)行以及工作在高效率區(qū)，因此電機(jī)和軸承的溫升都明顯低于采用液力耦合器的系統(tǒng)，這樣可以延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。

11變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較運(yùn)行可靠性、運(yùn)行維護(hù)變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較調(diào)節(jié)及控制特性液力耦合器依靠調(diào)節(jié)工作腔油量大小改變輸出轉(zhuǎn)速，因此延遲性較明顯，不能快速響應(yīng)，可能跟不上控制的需要，同時(shí)這時(shí)候的電流較大，如整定不好會(huì)引起跳閘，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。液力耦合器本身控制精度差，調(diào)速范圍窄，通常在40％～90％之間；在高速運(yùn)行時(shí)，液力耦合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響工作的正常進(jìn)行。變頻調(diào)速的頻率改變速度相當(dāng)快，完全可以以系統(tǒng)允許的最高速度進(jìn)行調(diào)節(jié)變頻調(diào)速屬于數(shù)字式控制，其穩(wěn)頻精度達(dá)到0.1%以上。12變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較調(diào)節(jié)及控制特性12變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較投資及回報(bào)

液力耦合器初期投資比變頻調(diào)速低；變頻調(diào)速節(jié)能效果及其它方面均明顯優(yōu)于液力耦合器，總體投資回報(bào)效果更佳。13變頻調(diào)速與液力耦合器調(diào)速的其它性能比較投資及回報(bào)132.串級(jí)調(diào)速與雙饋調(diào)速

142.串級(jí)調(diào)速與雙饋調(diào)速14串級(jí)和雙饋調(diào)速轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)速適用于繞線異步機(jī)，定子接中壓電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接調(diào)速裝置。有2種調(diào)速方法:只從同步速下調(diào)的系統(tǒng)通常稱串調(diào);在同步速兩側(cè)都調(diào)節(jié)的系統(tǒng)稱雙饋。絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)和泵只需要下調(diào)。15串級(jí)和雙饋調(diào)速轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)速適用于繞線異步機(jī)，定子接中壓串級(jí)和雙饋調(diào)速的特點(diǎn)用低壓設(shè)備控制高壓電機(jī)；

UR＝SUR0(1)式中:S＝(n0-n)/n0—滑差，UR0—轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)(S＝1)的轉(zhuǎn)子電壓，通常UR0<1000V。風(fēng)機(jī)和泵要求40％調(diào)速范圍，S≤0.4，UR≈400V，可以用低壓400V調(diào)速裝置控制6kV或10kV電機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)速裝置容量?。晦D(zhuǎn)子輸出功率Pr/PN≈(URIR)/(UR0IRN)式中:IR和IRN—轉(zhuǎn)子電流和它的額定值，IR/IRN≈m—轉(zhuǎn)矩相對(duì)值。考慮到二次型負(fù)載的特點(diǎn)，Pr/PN=S(1-S)2高速時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩m大，滑差S小，Pr不大;低速時(shí)S大，m小，Pr也不大;最大值出現(xiàn)在S=1/3時(shí)，Pr.max≈0.15PN(2)調(diào)速裝置的功率按Pr.max選取，可以用15％PN調(diào)速裝置控制100％PN的電機(jī)。由于風(fēng)機(jī)和泵的負(fù)載特性不嚴(yán)格遵循二次方關(guān)系，通常按Pr.max=(0.2～0.3)PN計(jì)算。16串級(jí)和雙饋調(diào)速的特點(diǎn)用低壓設(shè)備控制高壓電機(jī)；16串級(jí)和雙饋調(diào)速的特點(diǎn)旁路和起動(dòng)容易；串調(diào)系統(tǒng)在旁路時(shí)不必操作高壓斷路器，只需將電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出端短路就行。起動(dòng)時(shí)可通過轉(zhuǎn)子回路中串頻敏變阻器限制起動(dòng)電流，起動(dòng)平穩(wěn)。缺點(diǎn)：串調(diào)系統(tǒng)的不足是只能用于繞線異步機(jī)，有滑環(huán)和電刷，調(diào)速性能和功率因數(shù)不如高壓變頻，但大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可接受。17串級(jí)和雙饋調(diào)速的特點(diǎn)旁路和起動(dòng)容易；17串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问絻?nèi)反饋電機(jī)＋斬波式串調(diào)內(nèi)反饋電機(jī)就是在電機(jī)定子繞組中加一套輔助電源繞組，由它向逆變器提供電源，接受由轉(zhuǎn)子返回來的能量，把電機(jī)和變壓器合為一體，從而去掉龐大的變壓器，簡(jiǎn)化串調(diào)主電路。所謂斬波式串調(diào)就是在傳統(tǒng)串調(diào)基礎(chǔ)上，在直流回路中加入升壓式(Boost)斬波器。18串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问絻?nèi)反饋電機(jī)＋斬波式串調(diào)18串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问絻?nèi)反饋電機(jī)＋斬波式串調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn)加入斬波后的好處(與傳統(tǒng)串調(diào)相比)1)無論轉(zhuǎn)速高低，TI都工作在逆變角β＝30°，UD維持最大逆變電壓不變，逆變器的容量STI和電機(jī)輔助繞組容量Saw都按轉(zhuǎn)子最大輸出功率Pr.max來算，STI=(0.2-0.3)Pn，Saw=(0.24-0.36)Pn大大小于傳統(tǒng)串調(diào)。2)由于TI容量減小及工作時(shí)逆變角β角小，它產(chǎn)生的無功遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)串調(diào)，高速時(shí)，串調(diào)總無功略低于電機(jī)本身產(chǎn)生的無功，功率因數(shù)在0.8左右；3)由于STI比傳統(tǒng)串調(diào)小，逆變器產(chǎn)生的諧波也相應(yīng)減??；4)由于STI小，相應(yīng)電抗器L的體積，重量和價(jià)格也減小，但增加了一臺(tái)斬波電抗Ls。斬波串調(diào)的不足1)有2臺(tái)電抗器，體積、重量和損耗仍較大；2)功率因數(shù)仍偏低，特別是在S=0.2～0.3范圍內(nèi)(調(diào)速風(fēng)機(jī)和泵經(jīng)常工作的區(qū)域)功率因數(shù)下降很快，僅0.6左右；3)在定子電流中仍存在TI產(chǎn)生的5、7次諧波及DR產(chǎn)生的低頻諧波。19串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问絻?nèi)反饋電機(jī)＋斬波式串調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn)1串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问睫D(zhuǎn)子變頻調(diào)速把成熟的低壓IGBT變頻技術(shù)和內(nèi)反饋斬波技術(shù)結(jié)合起來，產(chǎn)生了一種新調(diào)速方法—轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速主電路示于圖2。從原理上說屬斬波串調(diào)，只是逆變器為IGBT電壓型PWM逆變器BI。20串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问睫D(zhuǎn)子變頻調(diào)速20串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问睫D(zhuǎn)子變頻調(diào)速原理與圖1類似，電機(jī)定子有2套繞組，一套定子繞組直接接6kV或10kV電網(wǎng)，另一套輔助繞組為變頻器VF中的逆變器BI提供電源，把來自轉(zhuǎn)子的滑差能量回饋至定子。風(fēng)機(jī)和泵只要求向下調(diào)速，能量流的方向是從轉(zhuǎn)子，經(jīng)VF和輔助繞組返回至電網(wǎng)，所以變頻器VF的接法與通常變頻調(diào)速相反，二極管整流橋接轉(zhuǎn)子繞組，PWM逆變器BI輸出接50Hz電源，把直流母線電壓VD變?yōu)楣潭l率和電壓的交流電。電機(jī)轉(zhuǎn)速變化(S變化)時(shí)，轉(zhuǎn)子電壓變化，整流電壓UDR隨之變化，但BI要求直流母線電壓固定，故加設(shè)升壓斬波器BC。設(shè)計(jì)BI的控制系統(tǒng)使其維持UD恒定，UDR=(1-D)UD(3)式中:D—斬波器占空比。通過改變D就可改變UDR，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，D減小，UDR加大，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。21串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问睫D(zhuǎn)子變頻調(diào)速原理21串級(jí)和雙饋調(diào)速的幾種拓?fù)湫问睫D(zhuǎn)子變頻調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)(和晶閘管斬波串調(diào)相比)1)同樣可以用(20～30％)PN功率的400V低壓變頻器調(diào)節(jié)100％PN功率的6kV或10kV中壓電機(jī)轉(zhuǎn)速，且起動(dòng)和旁路方便;2)主電路設(shè)備簡(jiǎn)單。全部調(diào)速裝置就是一個(gè)帶斬波的IGBT電壓型變頻器，無其他大設(shè)備。無晶閘管斬波串調(diào)的大電流電抗器3)運(yùn)行功率因數(shù)高。總的功率因數(shù)在高速時(shí)達(dá)0.9以上，在n=0.7nN時(shí)仍有0.8。4)諧波問題:IGBT逆變器產(chǎn)生的諧波,由于采用PWM調(diào)制，開關(guān)頻率高，可被輔助繞