變頻調速節(jié)電技術及其應用技術
zui近兩年不少廠家打出變頻空調的廣告，它說明變頻空調好。好在哪里？主要是節(jié)電。變頻調速是一個節(jié)電的好技術。
什么叫變頻調速技術，它是一種以改變電機頻率和改變電壓來達到電機調速目的的技術。大家都知道，目前，無論哪種機械調速，都是通過電機來實現的。從大范圍來分，電機有直流電機和交流電機。過去的調速，多數用直流電機，由于直流機調速容易實現。但直流機固有的缺點：滑環(huán)和碳刷要經常拆換，給人們帶來太大的麻煩。因此有人就想，如果把可靠簡單的籠式交流電機用來調速那該多好！因而就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出現了滑差電機、繞線式電機、同步機、這些都是交流電機。
到 20 世紀 80 年代，由于電力電子技術，微電子技術和信息技術的發(fā)展，才出現了對交流機來說的變頻調速技術，它一出現就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機調速方式，乃至直流電機調速，而成為電氣傳動的中樞。因而說變頻調速是時代的產物，只有在技術高度發(fā)展的今天，才能實現。為什么說它是基于電力電子、微電子、信息技術發(fā)展的產物？一是它的逆變部分都基于電流很大、電壓很高的 scr 、 gtr 、 igbt 、 gto 、 mct 等電力電子器件來完成的。什么叫逆變：就是直流變交流（ dc — ac ）那么交流變直流就叫整流（ ac — dc ）。二是它的控制部分和負載狀態(tài)的檢測是由 cpu （ 32 位計算機）來完成，這是微電子器件發(fā)展的結果。三是內置 4 — 20ma 接口和 rs485 接口可以和儀表、 dcs 相接，通過總線 profibus 、 interbus 通訊。
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。風機的特性曲線如圖 1 所示。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。
/圖1
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，下面舉幾個例子：
實例 1、空調類負載
家庭用的空調只有 0.5hp、1hp、2hp、3hp等，而工廠和賓館的空調容量要大的多，節(jié)電明顯。
北京麗都假日飯店動力中心是一個集中供冷、供熱的工廠，安裝有 20噸/小時蒸汽鍋爐3臺，300萬大卡溴化鋰制冷機4臺，負責動力廠周圍的麗都假日飯店、燕翔飯店、新萬壽賓館、學校、日本學校、德國學校及麗都飯店宿舍、托兒所、公園等涉外飯店、賓館、公寓、學校的供熱、供冷，供熱面積30萬平方米、供冷面積20萬平方米。91年，對水泵制冷機、引風機采用變頻控制，節(jié)電明顯，一般在30～60%，年節(jié)電17.5萬kw，優(yōu)于其他調速方式。廣州市鳴泉居度假村在冷熱水、噴泉等設施上采用了變頻調速控制，節(jié)電效果非常好。我們深圳市的東華假日酒店的空調也采用了變頻調速，節(jié)電顯著、房間溫度適度。
實例 2、泵類負載
泵類負載，量大面廣，包括水泵、油泵、化工泵、泥漿泵、沙泵等，有低壓中小容量，也有高壓大容量。
茂名石化公司煉油廠從 1990年開始先后在蒸餾、裂解、加氫、糠醛、酮笨等20多條生產線上使用161臺變頻調速裝置。變頻器總功率達8091kw。1990年10月至1992年2月對其中30臺泵進行測試，在同等工藝下，采用調節(jié)閥控制耗電999.9kw，而采用變頻調速電耗為396.7kw，節(jié)電603.2kw,節(jié)電率60.3%。采用變頻控制時，電機和泵的轉數下降，軸承等機械部件磨損減低，泵端密封系統(tǒng)不易損壞，電機故障率降低，維修工作量大為減少。94年后，該廠又采用了14套6kv大容量變頻裝置，節(jié)電40%到70%。1995年11月14日《中國石化報》*版“茂名石化公司煉油節(jié)能居同行前面”文章稱“僅通過變頻調速技術一年就節(jié)電2000萬千瓦時”。深圳梅林水廠首期設計日供水能力為60萬立方米，八套離心水泵有4套采用了高—低—高型變頻調速裝置，95年節(jié)電83萬度。深圳市益力礦泉水公司也在水泵上安置變頻調速裝置，取得了較好的節(jié)電效果。
實例 3、電梯高架游覽車類負載
由于電梯是載人工具，要求拖動系統(tǒng)可靠，又要頻繁的加減速和正反轉，電梯動態(tài)特性和可靠性的提高，便增加了電梯乘坐的安全感、舒適感和效率。過去電梯調速直流居多，近幾年逐漸轉為交流電機變頻調速，無論是日本，還是德國。我國不少電梯廠都爭先恐后的用變頻調速來裝備電梯。如上海三菱、廣州日立、青島富士、天津奧的斯均采用交流變頻調速。不少原來生產的電梯也進行變頻改造。
許多人坐過深圳世界之窗的單軌高架游覽車，該車行駛中頻繁起動、停車、上坡、下坡，并要求起停平穩(wěn)，車速恒定。由于是載人車，運行必須安全可靠，常年日曬雨淋，環(huán)境惡劣。以往要求調速性能高的傳動裝置，多采用帶測速反饋的矢量控制系統(tǒng)，價格較高。為了降低價格，并維修方便，我們采用了通用型變頻器轉矩矢量控制方式，成功解決了起動 /加速、停車/減速、恒速/變速行駛等，并防止了“下滑”、“沖站”現象的產生，達到了安全可靠，用戶非常滿意。這次改造是由我們深圳華能電子有限公司完成的。
案例 4、攪拌機類負載
化工、醫(yī)藥行業(yè)攪拌機非常之多，采用變頻調速取代其他調速方式，好處特多。
東北制藥廠氫化發(fā)酵崗位共有 8臺6.5噸發(fā)酵罐，電機功率為18.5kw，原為齒輪調速，如遇攪拌速度變化需拆卸三角皮帶，既笨重又不安全。改用變頻調速后，年節(jié)電8.6萬kw，發(fā)酵過程明顯好轉，提高了產品質量，減少了維修，僅減少三角帶費用就節(jié)省3萬元，減少了工人勞動強度，有益于工廠，有益于工人。又如：石家莊華曙制藥廠用10套315kw變頻器拖動攪拌機在制藥工藝中生產*。
實例 5 、注塑機類負載
注塑機是塑料加工成型的關鍵設備，數量多，耗電大。過去的節(jié)電方式多為通過△型轉換 y 型（星型）來節(jié)電的，效果一般。采用變頻器調速不改變注塑機原來的結構，控制油泵幾個過程的壓力或流量（如鎖模、合模、射膠、保壓、脫模、退模等），可節(jié)電 20%～52% ，較好的取代過去的比例閥節(jié)流調速方式，大幅度降低能耗，珠三角的不少注塑廠都進行了變頻改造。改造注塑機時，要注意合模加速，否則產量降低；注意輸入端和輸出端的諧波干擾。
實例 6 、污水處理等環(huán)保類負載
環(huán)境保護越來越被重視，它關系到人類賴以生存的環(huán)境，連申奧也有環(huán)境指標。于是乎清潔能源、綠色城市均出現了。變頻調速可用在三個方面的環(huán)保類負載。一是工業(yè)污水處理，二是垃圾電廠，三是工業(yè)排煙、排氣、除塵的控制。如廣州煉油廠，改用曝氣機污水處理的攪拌設備，采用籠式電機變頻調速后，提高產品可靠性，節(jié)電 40% 以上，同時提高了活性污泥微生物群的壽命，提高了污水處理的效果。再如佛山垃圾電廠在工藝中選用 52 臺變頻器。可見變頻調速已成為環(huán)境保護的主要設備。中國石化總公司制定一個熄滅火炬（主要指大煉油廠的可燒氣體）計劃，即是把可燃氣體輸送到用變頻調速的壓縮機柜回收。
實例 7 、音樂噴泉類負載
非常招攬游人的音樂噴泉，其水的高低和量的大小是靠變頻控制的。亞洲噴水zui高的廣東河源市音樂噴泉和規(guī)模很大的山東濟南泉城廣場音樂噴泉均屬于此，即節(jié)電又效果頗佳，在施工音樂噴泉時，要注意變頻器諧波對控制系統(tǒng)的干擾。
實例 8 、卷煙機類負載
卷煙行業(yè)過去進口的卷煙機，不論莫林 8 、還是莫林 10 ，均非無級調速。因而，在卷煙行業(yè)主要是解決無級調速和可靠性問題，技術簡單，變頻器用法簡單，收效*。
昭通卷煙廠十九臺進口的格蘭特 4 卷接包裝聯合機組采用變頻調速后，日增產香煙 200 箱， 200 箱香煙的利稅相當于 19 臺變頻器的價格，即一天收回投資。因而，卷煙機改造迅速，受益很大?，F在國產的煙機大部分都裝備了變頻調速功能。
實例 9 、大型窯爐煅燒類負載
冶金、建材、燒堿等大型工業(yè)轉窯（轉爐）以前大部分采用直流、整流子電機、滑差電機、串極調速。由于這些調速方式或有滑環(huán)、或效率低，近年來，不少單位采用交流變頻控制，效果很好。
株州冶煉廠鋅浸出渣揮發(fā)回轉窯是回收鋅的主體設備，共有三臺。窯外徑 2.8 米，長 44 米，原用正流子電機和滑差電機拖動，故障多，經常跳閘，維修量*。由于現場環(huán)境惡劣，導電塵埃多，電機火花不斷。刷握、碳刷更換不斷， 90 年小修 56 次，更換碳刷 1670 只，刷握 647 只，嚴重的影響了生產。 91 年 6 月該廠完成了回轉窯的變頻調速改造。運行平穩(wěn)、可靠、操作簡單，沒有發(fā)生因電機拖動故障而影響生產。年節(jié)電 12 萬度，超產 117.82 萬元。唐山堿廠輕灰煅燒爐是純堿生產關鍵設備，直徑 3.6 米，爐身長 30 米，總重 266 噸，采用 220kw 變頻器拖動，低頻啟動好，旋轉穩(wěn)定，可靠性高，提高了產品質量，使該煅燒爐的生產進入全國*行列。
實例 10 、吊車、翻斗車類負載
吊車、翻斗車等負載轉矩大且要平穩(wěn)，正反頻繁且要可靠。變頻裝置控制吊車、翻斗車滿足這些要求。
獨子山石化廠酮苯車間為三臺過濾器的安裝而設置一臺 20 噸橋式起重機，工藝要求防爆，采用防爆籠型電機。原生產的吊車主鉤、輔鉤、大車、小車無調速功能，不能定位。力矩小，吊起物體下滑，無法吊裝 19 噸重的過濾器機座，使該車間晚開工一年多，損失千萬元。 91 年 7 月采用變頻調速加制動功能，使主鉤、輔鉤、大車、小車五臺電機由一臺變頻器控制，效果很好。過載試驗吊起 22 噸，很快把 3 臺各重 40 噸的過濾機安裝在 10 米高二層平臺的機位上。
碼頭港機、車站龍門吊、貨場堆取料機等都可以采用變頻調速裝置，以達到可靠、平穩(wěn)、節(jié)電、少維修的目的。
變頻調速裝置，除節(jié)電顯著外，還是某些生產工藝中必需的設備。如
實例 11 、轉爐類負載
轉爐類負載，用交流變頻代替直流機組簡單可靠，運行穩(wěn)定。
1994 年 5 月 1 日，承德鋼鐵公司煉鋼廠三套 20 噸轉爐直流拖動系統(tǒng)全部處于故障狀態(tài)。擬尋找一個“又快又好”的恢復生產的調速方式，請來了我國電氣轉動專家劉宗富教授。在劉教授的建議下，由該公司定案， 20 噸轉爐傾動和氧槍升降采用交流變頻調速拖動。從供貨到安裝、調試、經過 13 天，三臺轉爐全部正常投入生產。這是我國 20 噸轉爐傾動和氧槍升降*次采用變頻調速。經過多年的生產應用，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，技術指標*工藝要求。轉爐、氧槍主傳動系統(tǒng)引起的熱停工減少 90% 以上，年增產 1.5 萬噸鋼，節(jié)電 22 萬度，直接經濟效益 231 萬元。為鋼廠以后穩(wěn)定的生產打下堅實的基礎。該系統(tǒng) 1995 年通過機械工業(yè)部鑒定，并被河北省評為技術進步一等獎。
實例 12 、特種電源類負載
許多電源，如實驗電源，飛機拖動電源（ 400hz ）都可用變頻裝置來完成，好處是投資少、見效快、體積小、操作簡單。
粘膠纖維行業(yè)紡絲設備多數是高速電機，眾多的紡綻電機為 150hz/160v 。*以來，國內粘膠行業(yè)一直使用電動——發(fā)電機組中頻電源供電，稱動變頻。由于這種方法弊病太多，而逐步采用交流變頻電源供電，稱靜變頻。邵陽化纖廠是我國粘膠行業(yè)zui早自行應用靜變頻的廠家，八臺 160kw 變頻器分二組供電（每組一臺備用）。自 1992 年 12 月生產以來，比動變頻有明顯的優(yōu)勢。
a. 可靠。運行多年，未發(fā)生故障跳閘。
b. 運行穩(wěn)定，電壓、頻率波動極小。
c 調頻方便，為工廠生產不同捻度的絲餅創(chuàng)造了條件。
d. 噪音小，改善了操作人員的環(huán)境。
e. 提高了產品質量。該廠一期工程（采用動變頻供電），粘膠長絲合格率僅 55.1% ，一等品合格率為零，二等品合格率為 20% ，而二期工程（采用靜變頻供電）平均合格率 98.12% ，一等品合格率 88.7% 。
f. 增加了產量。一期工程設計能力 2000 噸 / 年，試生產半年，產量僅 365.53 噸，而二期工程設計能力 1000 噸 / 年，試生產半年，生產長絲 685.25 噸，大大超過設計能力。
g. 節(jié)電 13%
由于靜變頻為粘膠行業(yè)帶來*的好處，不少企業(yè)，如吉林化纖廠、九江化纖廠、宜賓化纖廠、湖北化纖廠、丹東化纖廠、濰坊化纖廠（除宜賓外，均屬上市公司）等均采用了靜變頻技術。
變頻調速除節(jié)電外，還有增產、降耗、的效果。由于它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝*、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點，深受使用人員歡迎，變頻調速確是節(jié)能、降耗、、高產的理想設備，是邁入 21 世紀的首要的傳動技術，利國利民。