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變頻技術在電力傳動節(jié)能領域的應用

文檔作者：薛飛文檔來源：鑫誠建設監(jiān)理咨詢有限公司		點擊數：	更新時間： 2024年06月06日
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上一篇：鎵生產線節(jié)電的有效途徑

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2016年12月第6期變頻技術在電力傳動節(jié)能領域的應用——薛飛·49·
變頻技術在電力傳動節(jié)能領域的應用
薛飛
(鑫誠建設監(jiān)理咨詢有限公司，北京100038)
[摘要】闡述了電動機等變頻調速的機理，分析了影響變頻調速在電力傳動領域大面積推廣應用的制約因素，
通過應用實例進一步描述了變頻調速的節(jié)能效果。
[關鍵詞】變頻技術；輕載；節(jié)能
[中圖分類號]TM921．51 [文獻標志碼]B [文章編號]1008—5122(2016)06—0049一04
Application of Frequency Conversion Technology in the
Field of Energy Saving of Electric Drive
XUE Fei
Abstract：This paper expounds the mechanism of frequeney conversion and speed regulation of motor and
SO on，analyzes the constrained factors that impacting the wide application of frequeney conversion and
speed regulation in the field of electric drive，and further describes the energy saving effect of frequency
conversion and speed regulation through the application examples．
Key words：frequency conversion technology；underload；energy saving
我國能源緊缺，黨的十七大明確指出，堅持節(jié)約
資源和保護環(huán)境是基本國策，必須把建設資源節(jié)約
型、環(huán)境友好型社會放在工業(yè)化、現代化發(fā)展戰(zhàn)略的
突出位置。在2016兩會期間，已有代表指出，在中
國電動機能效低的現狀是中國工業(yè)高能耗的頑疾之
一，電動機節(jié)能是中國工業(yè)強盛的必然趨勢。因此，
電力傳動節(jié)能對我國能源的節(jié)約具有重要意義。其
中變頻技術經過幾十年的發(fā)展完善，已成為電動機
而我國工業(yè)電機高能耗的原因主要有兩個方面：一
是高效節(jié)能電機的普及率低，不足全國電機市場份
額的3％。11。二是電動機功率高于負載所需功率，
長期處于輕載狀態(tài)中，造成能源浪費。由于高效電
機成本高，推廣高效節(jié)能電機是長期的漸進的過程。
而交流變頻調速技術以其成熟的產品、顯著的效果、
優(yōu)異的性能，已被廣泛應用到了工業(yè)控制及節(jié)能領
域，其中變頻器就是該技術應用的代表。
節(jié)能的主要措施之一。
1 工業(yè)節(jié)能對變頻調節(jié)技術的需求
2 電動機輕載狀態(tài)分析
國家統計局的相關資料顯示，2014年我國工業(yè)
用電為39 930億kW·h，占全社會總用電量的
72．3％。其中，工業(yè)系統電機總用電量為28 727億
kW·h，占工業(yè)系統總用電量的71．9％。因此，電力
傳動節(jié)能是改變中國工業(yè)高能耗現狀的重中之重。
[收稿日期】2016一06—2l
[作者簡介】薛飛(198l一)，河南鄭州人，大學本科，助
理工程師，主要從事電氣工程建設及電氣設備維檢工作。
三相異步交流電動機憑借結構簡單、成本低、運
行可靠有效、適用性強的特點獲得廣泛應用，是工業(yè)
領域主要的動力設備，該類電動機的節(jié)能問題就是
電力傳動節(jié)能領域面臨的主要問題。在工業(yè)生產領
域中，為了保證生產的可靠性，不僅各種生產機械在
電動機選型上往往留有富裕量，而且所有非恒定負
載的電動機配型上都選擇最大功率標準，這就造成
了大量的電能浪費。因為當負載所需功率小于電動
機額定功率，或負載所需轉矩小于電動機的額定轉
矩時，電動機的定子電流I。小于額定電流I?由三
萬方數據
·50· 有色冶金節(jié)能口電力節(jié)能
相異步電動機轉子旋轉時的相電壓平衡方程、磁通
電動勢計算公式心1：
U。=一E，+(，1R。+．『，，X。) (1)
E。=一，。(R。+弘。) (2)
式中：u，——定子端電壓，V；
E，——定子回路產生的勵磁電動勢，V；
j，——定子電流，A；
，。——勵磁電動勢產生的勵磁電流，A；
(R。+弘。)——定子阻抗，Q；
(R。+弘。)——勵磁阻抗，n。
可知在輕載條件下，勵磁電流，o大于額定功率
下的勵磁電流厶。，造成勵磁電流，0在定子上產生的
繞組銅損耗、鐵芯上的鐵損耗以及各種機械損耗等
無功損耗增加大于額定功率下的無功損耗。通過電
動機的效率璣功率因數cos$的計算公式心1：
叼=1一ΣP (3)
COS咖=％／1一(詈)2 (4)
式中：Σp——電動機的總損耗，
'．1
2√P 2Pcul+Pcu2+PFe+Pm+pad；
PCul——是定子銅損耗，形；
Pc．2——轉子銅損耗，形；
pn——鐵損耗，形；
p。——機械損耗，形；
p。?！郊訐p耗，形；
p——無功功率，形；
S——視在功率，w。
可知在輕載狀態(tài)下的電動機效率叼和功率因
數COS擊都小于該電動機的額定效率和額定功率因
數，即表示電動機從電網吸收的電能后，轉化利用的
能力減弱，電能損失增加。
3變頻控制原理
3．1 三相異步電動機變頻調速原理
由三相異步電動機轉子的工作特性可知轉速與
頻率的關系為舊1：
n=60f(1一s)／p (5)
式中：n——轉速，r／min；
，’_一電源頻率，Hz；
p——電動機極對數；
s——轉差率，％
由上式可知，可以從改變轉差率s、改變極對數
P或改變電源頻率工三個方面來調節(jié)異步電動機的
轉速，其中調節(jié)電動機供電電源頻率即為變頻調速。
當轉差率s基本不變時，電動機轉速n與電源頻率
^成正比，利用改變電源頻率^來達到改變電動機
轉速的目的，這種方法稱為變頻調速。
3．2 變頻調速主要的四種控制方法
3．2．1變壓變頻控制
電動機正常運行時，定子相電壓u。、頻率工和
主磁通中。之間有如下關系舊1：
Ul—E。=4．44ftN。k捌巾。(6)
式中：U．——定子相電壓，V；
E?！磐妱觿?，V；
工——電源頻率，Hz；
少?！鞔磐?，Wb；
N。k由?！Ａ?。
在調速過程中，如主磁通中。增大則導致勵磁
電流厶增大，則無功損耗增加，功率因數減小，電動
機發(fā)熱量增大；若主磁通西。減小則轉子磁通電動
勢減小，降低了轉子輸出轉矩。所以在電動機調速
過程中要保持主磁通中。恒定并為額定值。因為
4．44N。k。為一常數，電源電壓U和頻率廠數值上可
認為等于磁通電動勢E。和頻率工，所以只要保持
(v／f)為恒定值，則主磁通垂?？杀３植蛔?。這就是
變壓變頻控制的基本原理。變壓變頻控制尚存在以
下缺點：①低速時要對電源電壓進行補償以彌補壓
降損失。這就造成電動機的轉矩難以恰當地調整。
②由于該控制方式是一種開環(huán)控制方式，設定值為
理想空載轉速，與實際轉速存在誤差，所以電動機的
實際轉速不能精確控制。
3．2．2轉差頻率控制
三相異步交流電動機在穩(wěn)定運行下，當氣隙磁
通恒定時，有電磁轉矩公式”1：
丁珈，(魯)2面麗豢擊麗
(7)
當轉差率s比較小時，將刪。=s叫，和(4)式代入
(5)式，得到¨1：
丁=K。(多。)2若(8)
式中：卜電磁轉矩，N·m；
塒．——定子電角度，rad；
萬方數據
2016年12月第6期變頻技術在電力傳動節(jié)能領域的應用——薛飛·5l·
塒?！娊嵌绒D差率，。／s；
U．——是定子磁通電動勢，V；
R，、L。?！ㄗ幼杩?，Q；
R：、L厶——轉子的折合阻抗，Q；
中?！鞔磐?，Wb；
'
K。=÷n，Ⅳ2l托2ⅣI——一常數。
二
由上式可知，電動機電磁轉矩F與電角度轉差
率成正比關系，控制就相當于控制轉矩。轉差率控
制需檢測出電動機轉速，以轉差頻率為速度調節(jié)器
輸出，電動機轉速頻率與轉差頻率之和為給定頻率，
構成閉環(huán)控制。該控制方式雖具有較高的調速范
圍，靜態(tài)轉速誤差小的優(yōu)點，但因要實現恒磁通控
制，仍需對定子電壓進行幅值和相位的補償。
3．2．3矢量控制
矢量控制的基本原理是將三相坐標下的定子交
流電流，。、，b、，。進行三相至二相變換，等效成兩相靜
止坐標系下的，；、J，，再通過根據磁場定向原理等效
成同步旋轉坐標系下的直流電流(相當于直流電動
機的勵磁電流和電樞電流)，模擬直流電動機的控
制方式，分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流
進行控制，即控制定子電流矢量，從而達到控制異步
電動機轉矩的目的。
由于矢量控制是模擬直流電動機的數學模型，
所以該方法具有調速范圍較寬(1：20—200)、低速
連續(xù)性好、響應速度快的優(yōu)點，但缺點是計算復雜，
控制繁瑣、轉子受參數影響較大。
3．2．4直接轉矩控制
直接轉矩控制原理是根據計算得出的反饋值
(轉速、電流)與給定值比較，根據磁通量或轉矩的
偏差大小，選擇合適的電壓矢量，對定子磁通量進行
控制，從而改變轉矩。當電動機實際轉矩小于給定
值時，選擇與定子磁通旋轉方向相同的電壓矢量，實
現轉矩增加；若電動機實際轉矩大于給定值，則選擇
與定子磁通旋轉方向相反的電壓矢量，實現轉矩
降低。
直接轉矩控制不用進行坐標變換，不受轉子參
數影響，其不僅調速精度高、響應速度快，還具有結
構簡單、控制手段直接、信號處理明確、動靜態(tài)性能
優(yōu)良的優(yōu)點。但該方法由于控制器采用Bang—Bang
控制，實際轉矩有脈動產生；尤其在低速時，轉矩脈
動將更加明顯，影響磁通量檢測，造成其調速范圍較
窄。所以直接轉矩控制現多用于風機、水泵及牽引
傳動類等對調速要求不高的場合。
4變頻技術的應用案例
案例一2013年中鋁河南分公司炭素廠煅燒
循環(huán)水崗位有兩臺循環(huán)水泵，負責7臺煅燒爐冷卻
水循環(huán)，其所配電動機分別為37 kW、55 kW。在運
行過程中，水泵負載隨爐況變化而變化。經技術人
員計量，兩臺水泵日電耗約1 300 kW·h，電動機一直
處于輕載狀態(tài)。此后車間采取了加裝變頻器的節(jié)能
方案，其投入成本約3．4萬元。改造后經調試，在滿
足工藝需求的前提下，變頻器的頻率參數調至38
Hz，日電耗620 kW·h，月節(jié)約電量約2萬kW·h。而
且在以后煅燒爐大修時，仍可根據負載情況減小頻
率參數，降低電耗。
案例二酒鋼碳鋼薄板廠于2011年對轉爐一
次除塵10 kV高壓風機3臺進行節(jié)能改造。改造前
后數據對比如表1”。。
表1 高壓風機改造前后數據
改造前改造后
(液壓耦合器) (變頻器)
高速運行時電流(1 250 r／min) 120 A 97 A
低速運行時電流(500 r／min)40 A 6 A
電動機功率因數0．88 0．98
根據按照風機運行周期最后計算出改造后臺風
機全年節(jié)約電能約533．7萬kW·h。
5制約變頻技術推廣應用的因素
5．1諧波危害
變頻器由整流器、中間電路、逆變器和控制電路
組成。當變頻器運行時，整流器和逆變器的電子器
件快速進行開關動作，因而產生高次諧波。同時變
頻器本身的輸入則是一個非線性整流電路，特別是
直接接入高壓電網的中高壓變頻器，其不僅含有大
量的高次諧波，還會對電網造成諧波污染。2007
年，在天鐵熱軋1 750 mm帶鋼工程的過程中，出現
了由于精軋機的調速系統引起的系統諧波干擾了
PLC系統，UPS電源輸出瞬間升至900 V，不僅損壞
了設備，還引起電機溫升過高，絕緣性能下降等一系
列問題，嚴重影響了工程進度”J。
目前有效抑制諧波的措施有兩種哺]。一種是
對變頻器增加額外的電力設備，從抑制諧波本身出
發(fā)有效地抑制諧波，例如安裝電抗器或濾波器、電壓
萬方數據
·52· 有色冶金節(jié)能口電力節(jié)能
隔離器等；二是從諧波的傳輸途徑人手，優(yōu)化變頻器
的工作電路及與其它電力設備的連接線路，例如使
用四象限技術的變頻器、控制線采用屏蔽電纜等。
5．2功率元件耐高壓能力不足
目前我國大容量電動機基本是采用6 kV以上
的電源電壓，而由于變壓器內部的功率元件耐壓能
力不足，導致高壓變頻器技術含量增高，成本增加，
而且設備可靠性降低，難以滿足生產企業(yè)對低成本
的需求。發(fā)展高耐壓能力的功率元件和改進高壓變
頻控制的技術是市場的迫切需求。
6結束語
變頻控制技術不僅為電力傳動領域的節(jié)能帶來
了巨大的潛力，它還對保護用電設備、提高工藝流程
穩(wěn)定性起到了重大的作用。所以，加快變頻控制技
術的推廣是我國工業(yè)發(fā)展的必然要求。
(上接第10頁)
強節(jié)能監(jiān)察力度，貫徹落實強制性能耗限額標準和
能效標準。
(三)創(chuàng)新體制機制
推進實施國家科技重大專項、國家重點研發(fā)計
劃，促進軍民融合和資源雙向轉化，強化軍民協同創(chuàng)
新，建立技術創(chuàng)新聯盟，集中力量突破重點領域關鍵
共性技術。創(chuàng)新科技成果后補助等方式，鼓勵企業(yè)
創(chuàng)新和市場開拓。加強科教融合、校企聯合，鼓勵企
業(yè)建設職業(yè)學院，培養(yǎng)有色金屬創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才、科技
人才和創(chuàng)新團隊，組織開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、設計大賽
和職業(yè)技能大賽，推動創(chuàng)新能力建設。鼓勵在材料
加工等一般競爭性領域以及國企搬遷改造中發(fā)展混
合所有制，提高國企活力。各地工業(yè)主管部門要按
照供給側結構性改革的要求，改革創(chuàng)新行業(yè)管理，推
動簡政放權、放管結合、優(yōu)化服務，加強普惠性、功能
性產業(yè)政策研究，為產業(yè)發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。
(四)實施公平用電政策
支持符合行業(yè)規(guī)范條件、能耗、環(huán)保達標的有色
金屬企業(yè)開展直供電交易。支持電力用戶與電網企
業(yè)協商降低企業(yè)過網費、備用容量費。鼓勵電冶聯
營，在嚴控電解鋁產能總量的前提下，探索在百色、
霍林郭勒及包頭、新疆五彩灣、蘭州連海地區(qū)、青銅
峽與寧東、黔中及黔西南、運城和呂梁、豫西北等有
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決方法討論[J]．機床電器，2006，(11)：47—48．
條件的地區(qū)開展局域電網試點，構建“鋁一電一網”
一體化產業(yè)鏈，降低用電成本，改善企業(yè)經濟效益，
同時鼓勵消納可再生能源。落實電解鋁行業(yè)階梯電
價政策，促進行業(yè)能效提升。
(五)加大財稅金融支持
加強財稅、金融、貿易等政策與產業(yè)政策的銜
接，促進銀企對接和產融合作，在風險可控、商業(yè)可
持續(xù)的前提下，加大對符合行業(yè)規(guī)范條件、環(huán)境保護
和安全生產持續(xù)達標、有市場前景和經營效益的骨
干企業(yè)的融資支持。充分利用現有專項資金渠道，
并鼓勵地方政府和社會資本加大投入，加快有色金
屬工業(yè)轉型升級。落實好礦山稅收優(yōu)惠政策和兼并
重組稅收政策。研究新材料首批次保險補償機制，
支持有色金屬新材料發(fā)展。探索建立有色金屬商業(yè)
儲備制度，健全政府儲備與企業(yè)儲備并舉的儲備機
制。完善職工安置政策，依據市場化、法治化原則妥
善處置債務和不良資產，加快低效企業(yè)退出。對符
合條件的重大國際合作項目，加大融資支持力度。
各有關地區(qū)和中央企業(yè)的有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)
劃應與本規(guī)劃做好銜接，組織編制實施方案，落實相
關任務措施。行業(yè)協會要充分發(fā)揮橋梁和紐帶作
用，引導和督促企業(yè)落實規(guī)劃重點任務，提出相關政
策建議。
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