【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，電動機的 負載能力下降；若磁通太強，鐵芯發(fā)熱，波形破壞。 根據(jù)三相異步電動機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 進行適當(dāng)控制即可維持磁通量不變。 因此，異步電動機的變頻調(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，浪費嚴重，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 如果采用 直接啟動，啟動電流等于 (４ 7)倍額定電流，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，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)備的維護費用。 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、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 /泵類負載； 裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）； 長期連續(xù)運行。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)機水泵行業(yè)應(yīng)用，因風(fēng)機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。 變頻器在空壓機上運用的節(jié)能分析 螺桿式空氣壓縮機運用很廣泛，傳統(tǒng)的控制大多采用接觸器直接對空壓機主電機加載工頻電源，依靠進氣閥門的開關(guān)來控制空壓機的進氣口是否進氣，從而達到控制空壓機供氣的目的。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，這就造成進氣閥門加載、卸載動作頻繁。卸載后空壓機沒有進氣，但電機依然維持在工頻運轉(zhuǎn)，造成電能的浪費 。當(dāng)系統(tǒng)壓力變小后，進氣閥突然打開加載，會對供電電網(wǎng)和空壓機設(shè)備造成很大的沖擊，也增加了設(shè)備的機械磨損。 螺桿式空氣壓縮機的工作原理和能耗分析 螺桿式空壓機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)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C的進氣口和 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，浪費的能量主要在兩個部分：（ 1）加載時的電能消耗。在壓力值達到最小后，檢測元件檢測到壓力低信號，這時控制元件會打開進氣閥門，空壓機對氣體做功，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)壓力達到壓力最大值時，空壓機通過關(guān)閉進氣閥使電機處于空轉(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。據(jù)測算，空壓機卸載時的能耗約占西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 空壓機滿載運行時的 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，空壓機電機存在很大的節(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 制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號送變頻器，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力 P 始終接近設(shè)定壓力P0。 空壓機電機參數(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 頻電源控制電機模式下，正常生產(chǎn)情況時，壓力維持在 ～ 范圍內(nèi)，空壓機進氣閥門開關(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%） 。加載時電機電流大約為額定電流的 倍，關(guān)閉閥門電機電流約為額定電流的 倍。按照以上電機參數(shù)計算，電機每天做功約為 (假設(shè) 24h 不停機 )。 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，電機電流維持在 275A 左右，上下波動很小。按照這樣的情況，電機每天做功約為 (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 )，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的節(jié)能運行，同時空壓機電機從靜止到旋轉(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帶來的機械沖擊，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 電動機節(jié)能方面的分析與研究 目前在電機節(jié)能方面存在的主要問題 舊 (淘汰 )型電機的使用 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，現(xiàn)在約占裝機容量的 3%～ 5%，即約 2 000萬 kW，這些電機采用 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，如風(fēng)機、水泵、車床等使用的 主機 。另外，早期使用的 Y系列電動機，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。這類電機占裝機容量的 15%～ 20%。 電機負載率低 由于電動機選擇不當(dāng)，富裕量過大或生產(chǎn)工藝變化，使得電動機的實際工作負荷遠低于額定負荷，大約占裝機容量 30% ～ 40% 的電機在 30% ～ 50%的額定負載下運行，運行效率過低。如現(xiàn)在我國風(fēng)機的平均運行效率為 60%，水泵的平均運行效率只有 51%。 電機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)單相負荷的不平衡，使得電動機的三相電壓不對稱，電機產(chǎn)生負序轉(zhuǎn)矩，增大電機運行 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。 負荷調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速控制不當(dāng) 在 調(diào)節(jié) 風(fēng) 機的風(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 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效率 異步電動 機的損 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 動機的效 率 ，從 而 達 到 節(jié)能的目的，這可以從兩個方面進行 在 電機的設(shè)計、制造與改進方 面 對電機進行優(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 機的 渦 流 損 耗 ； 加長電機 鐵 芯，用較 多的硅鋼片達到 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 電機的滿 槽 率，達到 減小導(dǎo)線電 阻 與定 子 電 流 、降低定子銅損的目的 。 電動機的選用 下 列情況下應(yīng)該考慮選用高效電動機。（ 1）在新上項目需要新的電動機時；（ 2）舊電動機損壞或電動機需要進行重繞時 ； （ 3）在電動機長期運行于低負載或過負載狀態(tài)下需要更新 電動機時。 電動機節(jié)能的基本原理：電動機節(jié)能的過程就是提高其效率的過程。 P2：電動機機械輸出功率（ kW）； p1：電動機從電網(wǎng)或供電裝置中吸收的電功率； △ p： 電動機在能量轉(zhuǎn)換中的損耗