【文章內(nèi)容簡介】 控制方式等類型分類。 變頻器的工作原理 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 1 60(1 ) (1 )fn n s sp? ? ? ? 式中 1n —— 同步轉(zhuǎn)速； f —— 電源頻率，單位為 Hz； p —— 極對數(shù)； s ——轉(zhuǎn)差率。 從公式可知，改變電源頻率即可實現(xiàn)調(diào)速。 對異步電動機(jī)實行調(diào)速時，希望主磁通保持不變，因為磁通太弱，鐵芯利用不充分，同樣轉(zhuǎn)子電流下轉(zhuǎn)矩減小，電動機(jī)的 負(fù)載能力下降；若磁通太強(qiáng)，鐵芯發(fā)熱，波形破壞。 根據(jù)三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值為 1 1 1 WE f N K?? 式中 1f —— 電動機(jī)定子頻率，單位為 Hz； 1N —— 定子相繞組有效匝數(shù)；? —— 每極磁通量，單位為 Wb。 從公式可知，對 1E 和 1f 進(jìn)行適當(dāng)控制即可維持磁通量不變。 因此，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻器獲得電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 變頻器節(jié)能原理 變頻節(jié)能 由流體力學(xué)可知， P（功率） =Q（流量） ? H（壓力），流量 Q與轉(zhuǎn)速 N的一次方成正比，壓力 H與轉(zhuǎn)速 N的平方成正比，功率 P與轉(zhuǎn)速 N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速 N可成比例的下降，而此時軸輸出功率 P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。通過我的計算 :一臺水泵電機(jī)功率為 55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 4/5時，其耗電量為 ，省電 ％，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 1/2時，其耗電量為 ，省電 ％ . 功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能 無 功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，由公式 c os , = si nP S Q S??? ? ?，其中 S－視在功率， P－有功功率， Q－無功功率， cos ? －功率因數(shù)，可知 cos ? 越大，有功功率 P越大 ，普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在 ，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用， cos ? ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。 軟啟動節(jié)能 由于 異步 電 動 機(jī) 如果采用 直接啟動，啟動電流等于 (４ 7)倍額定電流，這樣會對機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用軟啟動 器 將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。 變頻器 節(jié) 能應(yīng)用的場合 變 頻器 在有的地方有 節(jié)能 效果，有的地方可能沒有。風(fēng)機(jī)、水泵之類的需要調(diào)速的地方用變頻器，節(jié)能效果特別好。變頻器具有節(jié)電功能，前提條件是： 大功率并且為風(fēng)機(jī) /泵類負(fù)載； 裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）； 長期連續(xù)運(yùn)行。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電。變頻器節(jié)能最為明顯的是在風(fēng)機(jī)水泵行業(yè)應(yīng)用，因風(fēng)機(jī)水泵的消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以當(dāng) 外界用風(fēng) /水量不西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 高時，使用變頻會自動將轉(zhuǎn)速降低，則節(jié)能效果明顯。而且跟傳統(tǒng)的調(diào)速方法相比的話的確節(jié)能不少，傳統(tǒng)的是串電阻及利用接觸器切換來調(diào)速；電阻也要消耗電能，而且消耗 40%左右的電能；變頻調(diào)速是改變輸入頻率來達(dá)到調(diào)速的目的，省去了電阻及接觸器切換消耗的電能。 變頻器在空壓機(jī)上運(yùn)用的節(jié)能分析 螺桿式空氣壓縮機(jī)運(yùn)用很廣泛，傳統(tǒng)的控制大多采用接觸器直接對空壓機(jī)主電機(jī)加載工頻電源，依靠進(jìn)氣閥門的開關(guān)來控制空壓機(jī)的進(jìn)氣口是否進(jìn)氣，從而達(dá)到控制空壓機(jī)供氣的目的。由于生產(chǎn)線上使用空壓氣的設(shè)備的工作周期和生 產(chǎn)工藝的差別，使得用氣量瞬時變化非常大，這就造成進(jìn)氣閥門加載、卸載動作頻繁。卸載后空壓機(jī)沒有進(jìn)氣，但電機(jī)依然維持在工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi) 。當(dāng)系統(tǒng)壓力變小后，進(jìn)氣閥突然打開加載，會對供電電網(wǎng)和空壓機(jī)設(shè)備造成很大的沖擊，也增加了設(shè)備的機(jī)械磨損。 螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作原理和能耗分析 螺桿式空壓機(jī)由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子 (或稱螺桿 )在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C(jī)的進(jìn)氣口和 出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒在主電機(jī)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。 傳統(tǒng)的加載和卸載控制方式使得壓縮空氣的壓力在 minP ~ maxP 之間來回變化。 minP 是能夠保證現(xiàn)場用氣點正常工作的最低壓力。一般情況下， maxP 與 minP 之間關(guān)系可以用下式來表示 : maxP =P（ 1＋ δ） minP ，其中 δ 大致在 15%～ 30%之間。 在加載和卸載控制方式下的空壓機(jī)，浪費(fèi)的能量主要在兩個部分：（ 1）加載時的電能消耗。在壓力值達(dá)到最小后，檢測元件檢測到壓力低信號，這時控制元件會打開進(jìn)氣閥門，空壓機(jī)對氣體做功，氣壓會持續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中，一定要向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，大于氣動元件所需要的壓力的壓縮空氣在進(jìn)入氣動元件前，其壓力一般需要經(jīng)過減壓閥減壓，這一過程同樣是一個釋放能量的過程。（ 2）卸載時電能的消耗。 當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時，空壓機(jī)通過關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)的方法來降壓卸載。這種調(diào)節(jié)方法造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)測算，空壓機(jī)卸載時的能耗約占西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 空壓機(jī)滿載運(yùn)行時的 15%~35%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下 )。很明顯，在加載、卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。 變頻器 和 PLC 的控制模式和節(jié)能效益 采用變頻凋速控制時，就把管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器 YB 將儲氣罐的壓力 P 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o PLC 的 PID 調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值 P0 作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的 PID 控 制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號送變頻器，通過變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力 P 始終接近設(shè)定壓力P0。 空壓機(jī)電機(jī)參數(shù) :功率為 185kW，轉(zhuǎn)速為 1480r/m，額定電流 405A，功率因數(shù)為 。變頻器功率為 200kW。在傳統(tǒng)的接觸器直接加工 頻電源控制電機(jī)模式下，正常生產(chǎn)情況時，壓力維持在 ～ 范圍內(nèi)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥門開關(guān)都呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即閥門打開加載時間約為 118s，關(guān)閉卸載時間約為 96s(即加載時間占總時間的 55%，卸載時間約占 45%） 。加載時電機(jī)電流大約為額定電流的 倍，關(guān)閉閥門電機(jī)電流約為額定電流的 倍。按照以上電機(jī)參數(shù)計算，電機(jī)每天做功約為 (假設(shè) 24h 不停機(jī) )。 采用變頻恒壓控制以后，正常生產(chǎn)時，管網(wǎng)壓力保持在 這樣一個相對穩(wěn)定的值，變頻器顯示 40Hz，電機(jī)電流維持在 275A 左右，上下波動很小。按照這樣的情況，電機(jī)每天做功約為 (功率因數(shù)約為 )，這樣每天節(jié)約的電能大約為 。如果按照每年正常供氣 350 天計算 (只在檢修時間停機(jī) )，年節(jié)約電能為 。工業(yè)電價按 元 /()計算，每年可節(jié)約生產(chǎn)成本約為 萬元。 利用變頻器 +PLC 的控制模式實現(xiàn)了螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，同時空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作由變頻器來啟動，實現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊，降低了原系統(tǒng)噪音，減少了設(shè)備維 修最等，該控制模式具有實用價值。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 第 4 章 電動機(jī)節(jié)能方面的分析與研究 目前在電機(jī)節(jié)能方面存在的主要問題 舊 (淘汰 )型電機(jī)的使用 我 國 20世紀(jì)七八十年代制造，六七十年代技術(shù)水平的 J、 JO、 JO2系列及其相應(yīng)水平的派生電機(jī)，現(xiàn)在約占裝機(jī)容量的 3%～ 5%，即約 2 000萬 kW，這些電機(jī)采用 E級絕緣，體積較大，起動性能較差，效率較低。雖經(jīng)歷年改造，但目前我國的少數(shù)企業(yè)還在使用這類電機(jī)，如風(fēng)機(jī)、水泵、車床等使用的 主機(jī) 。另外，早期使用的 Y系列電動機(jī)，經(jīng)過 1～ 2次大修，性能變 差，效率降低，本應(yīng)該淘汰，卻仍在使用。這類電機(jī)占裝機(jī)容量的 15%～ 20%。 電機(jī)負(fù)載率低 由于電動機(jī)選擇不當(dāng)，富裕量過大或生產(chǎn)工藝變化，使得電動機(jī)的實際工作負(fù)荷遠(yuǎn)低于額定負(fù)荷，大約占裝機(jī)容量 30% ～ 40% 的電機(jī)在 30% ～ 50%的額定負(fù)載下運(yùn)行，運(yùn)行效率過低。如現(xiàn)在我國風(fēng)機(jī)的平均運(yùn)行效率為 60%，水泵的平均運(yùn)行效率只有 51%。 電機(jī)電源電壓不對稱或電壓過低 由于三相四線制低壓供電系統(tǒng)單相負(fù)荷的不平衡，使得電動機(jī)的三相電壓不對稱，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)序轉(zhuǎn)矩，增大電機(jī)運(yùn)行 中的損耗。另外電網(wǎng)電壓長期偏低，使得正常工作的電機(jī)電流偏大，因而損耗增大。三相電壓的不對稱度越大，電壓越低，則損耗越大。 負(fù)荷調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速控制不當(dāng) 在 調(diào)節(jié) 風(fēng) 機(jī)的風(fēng)量與水泵的流量 等 方面，還 有 些 場合是采 用 擋板或閥 門 來調(diào)節(jié)，使 得 截流功率 損 耗 大。許多 設(shè) 備還采用 機(jī) 械調(diào)速方法 ， 而 未采用 電 氣 調(diào) 速。此 外 ，由于調(diào) 速 方法與負(fù)載 的 性質(zhì)、大 小 配 合不好， 轉(zhuǎn) 速控制不 當(dāng) ，也使得調(diào) 速過程中的 損 耗增大 。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 減少有功損耗以提高電動機(jī)效率 異步電動 機(jī)的損 耗 分為有功損耗與無功損耗 兩 種 ， 減 少 有功損耗 ， 就能提高電 動機(jī)的效 率 ，從 而 達(dá) 到 節(jié)能的目的，這可以從兩個方面進(jìn)行 在 電機(jī)的設(shè)計、制造與改進(jìn)方 面 對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與制造要做到 ： (1)采 用較 薄 的低 損 耗硅 鋼 片， 減 少 電 機(jī)的 渦 流 損 耗 ； 加長電機(jī) 鐵 芯，用較 多的硅鋼片達(dá)到 減 少 磁 密、降低鐵損的目的 。 (2)采 用較 大 截面 的 銅導(dǎo) 線 ，縮 短 繞 組 端部 長 度 ， 增 大 電機(jī)的滿 槽 率，達(dá)到 減小導(dǎo)線電 阻 與定 子 電 流 、降低定子銅損的目的 。 電動機(jī)的選用 下 列情況下應(yīng)該考慮選用高效電動機(jī)。（ 1）在新上項目需要新的電動機(jī)時；（ 2）舊電動機(jī)損壞或電動機(jī)需要進(jìn)行重繞時 ； （ 3）在電動機(jī)長期運(yùn)行于低負(fù)載或過負(fù)載狀態(tài)下需要更新 電動機(jī)時。 電動機(jī)節(jié)能的基本原理：電動機(jī)節(jié)能的過程就是提高其效率的過程。 P2：電動機(jī)機(jī)械輸出功率（ kW）； p1：電動機(jī)從電網(wǎng)或供電裝置中吸收的電功率； △ p： 電動機(jī)在能量轉(zhuǎn)換中的損耗