变频技术在电力企业的节能作用:单相交交变频电力

　　摘 要：变频器作为一种能源转换的节能设备，在工业生产、交通运输和日常生活中的应用越来越广泛。本文从原理、应用和前景等方面就变频技术对电力企业的节能作用进行了分析和对比。发现变频技术对于电力企业的节能作用而言，不仅有重大的现实意义，而且前景广阔。
　　关键词：变频器，节能，电力企业，风机
　　0. 前言
　　变频调速技术是20世纪80年代末兴起的一种新型电力传动调速技术。它集电力、电子、微电子、自动控制和电机学等多种技术于一体，在国民经济各个领域有着广泛的应用。总的说来应用变频调速器的目的有３个：一是满足机械设备的调速功能（即能满足机械设备中电动机无级调速的要求），并同时实现软启动、加速、减速、刹车、关机等，在启动和关机中无电冲击和机械冲击；二是变频器调速范围大、调速精度高，在机械设备中应用它，可提高工程质量和产品质量；三是应用变频器，可根据负荷需求功率的大小，实时控制功率的输出，以达到电能的最大节省。本文将就变频器在电力生产的应用进行一下初步的探讨，仅供参考。
　　1. 变频器的基本节能原理
　　1.1 变频节能
　　为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。若采用定速驱动，则电机不能在满负荷下运行，达到动力驱动要求以外的多余力矩，增加了功率的消耗，造成电能的浪费。我国很多电力企业中的风机和泵处于50%～70%的运行效率，有的甚至仅有30%。因此在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。当电机转速从N1变到N2时，其电机轴功率P的变化关系如公式（1）所示：
　　（1）
　　由公式（1）可知，降低电机转速可得到立方级的节能效果。
　　1.2 动态调整节能
　　迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。
　　1.3 通过变频自身的V/F功能节电
　　在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。
　　1.4 变频自带软启动节能
　　在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流不但浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从零至电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
　　1.5 提高功率因数节能
　　电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：AC－－ DC －－AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。
　　2 变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析
　　2.1 应用概述：
　　我国工业生产中风机和泵类分布面广，数量大，耗电量惊人。据统计，全国风机和泵类电动机装机总容量约35000MW，耗电量相当于全国电力消耗总量的40%。据估计，提高风机和泵的运行效率的节能潜力可达300－500亿KWh/a，相当于610个装机容量为1000MW的大型发电厂的年发电总量。在电力生产中，风机、泵类设备的应用范围也非常广泛,其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%-25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧，节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。而变频调速技术的发展，正是顺应了工业生产自动化发展的要求。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。
　　风机是发电厂的重要辅机，是高电压大电流的大功率设备，也是影响发电效率的重要环节。主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。由于电厂风机大多采用高效离心式风机，最常用的控制手段则是调节风门和挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
　　泵类设备在电力生产领域同样有着广阔的应用空间，水循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。
　　由于风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
　　近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点。因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。如公式（2）所示,变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，而变频器正是通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
　　2.2节能分析
　　从流量控制的原理上讲，风机和水泵在结构上和工作原理上基本是相同的。都是变负载运行方式，通过改变转速而达到节能的目的。由流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H，转矩T以及轴功率P具有如下关系： ； ； 。即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。利用变频器实现调速节能运行，是变频器应用的一个最典型的例子，其中以风机和泵类机械设备的节能效果最为显著。风机典型的风量-压力特性如图1所示。通常调节风量和压力的方法有两种：