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行業(yè)新聞
電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造
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一、概述
電機(jī)是一種應(yīng)用量大、使用范圍廣的高耗能動(dòng)力設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的總裝機(jī)容量約為4億千瓦，年耗電量約為6000億kwh，約占工業(yè)用電的70—80%。我國以中小型電機(jī)為主，約占80%，而中小型電機(jī)耗損的電量卻占總損耗量的90%。電機(jī)在我國的實(shí)際應(yīng)用中，同國外相比差距很大，機(jī)組效率為75%，比國外低10%；系統(tǒng)運(yùn)行效率為30—40%，比國際先進(jìn)水平低20—30%。因此在我國中小型電機(jī)具有極大的節(jié)能潛力，推行電機(jī)節(jié)能勢在必行。
由于異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠，可用于惡劣的環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是對(duì)各行各業(yè)的泵類和風(fēng)機(jī)的拖動(dòng)上非彼莫屬，因此，拖動(dòng)泵類和風(fēng)機(jī)的電機(jī)節(jié)能工作倍受重視。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的高度發(fā)展和應(yīng)用使變頻器的節(jié)能效果更為顯著。它不但能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而且在負(fù)載不同時(shí)，始終高效運(yùn)行，有良好的動(dòng)態(tài)特性，能實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性、高精度的自動(dòng)控制。相對(duì)于其它調(diào)速方式（如：降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、交流串級(jí)調(diào)速等），變頻調(diào)速性能穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、效率高，隨著現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善，它已成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。變頻調(diào)速裝置（變頻器）已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
使用變頻器調(diào)速信號(hào)傳遞快、控制系統(tǒng)時(shí)滯小、反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度高、使用方便、有利于提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，因而使用變頻器是廠、礦企業(yè)節(jié)能降耗的首選產(chǎn)品。
變頻電機(jī)節(jié)電器是一種革命性的新一代電機(jī)專用控制產(chǎn)品，基于微處理器數(shù)字控制技術(shù)，通過其內(nèi)置的專用節(jié)電優(yōu)化控制軟件，動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)運(yùn)行工程中的電壓和電流，在不改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下，保證電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)荷需求精確匹配，從而有效避免電機(jī)因出力過度造成的電能浪費(fèi)。
交流電動(dòng)機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，約占各類電動(dòng)機(jī)總數(shù)的85%，它具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉、不需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但它的弱點(diǎn)是調(diào)速困難，因而在許多應(yīng)用場合受到限制或借助機(jī)械方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
變頻器就負(fù)載類型而言主要有兩方面的典型應(yīng)用：1、恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用；2、變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用。就應(yīng)用的目的而言主要有：1、以改進(jìn)工藝為主要目的，確保工藝過程中的最佳轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下的最佳轉(zhuǎn)速以及準(zhǔn)確定位等。以其優(yōu)良的調(diào)速性能，提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高舒適性，使設(shè)備合理化，適應(yīng)或改善環(huán)境等。2、以節(jié)能為主要目的——以流量或壓力需要調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，改造效果非常顯著。
二、變頻調(diào)速的原理
在企業(yè)所使用的耗電設(shè)備中風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、液壓油泵、循環(huán)泵等電機(jī)類負(fù)載占絕大多數(shù)。由受到技術(shù)條件限制，這類負(fù)載的流量、壓力或風(fēng)量控制系統(tǒng)幾乎全部是閥控系統(tǒng)，即電機(jī)由額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)提供的流量、壓力或風(fēng)量恒定，當(dāng)設(shè)備工作需求發(fā)生變化時(shí)，由設(shè)在出口端的溢流、溢壓閥或比例調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)負(fù)載流量、壓力或風(fēng)量、從而滿足設(shè)備工況變化的需要。而經(jīng)溢流溢壓閥或比例調(diào)節(jié)閥溢流溢壓后，會(huì)釋放大量的能量，這部分耗散的能量實(shí)際上是電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量中的一部分，造成了電能極大的浪費(fèi)。從這類負(fù)載的工作特性可知，其電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，而轉(zhuǎn)速又與頻率成正比。如果我們改變電機(jī)的工作方式，讓它不總是在額定工作頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)，而是改由變頻調(diào)整控制系統(tǒng)進(jìn)行啟?？刂坪驼{(diào)整運(yùn)行，則其轉(zhuǎn)速就可以在0~2900r/min的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，即輸出的流量、壓力或風(fēng)量也隨之可在0~100%范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，使之與負(fù)載的工作需要求精確匹配，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
交流電機(jī)轉(zhuǎn)速如下：n=60f(1-s)/p
式中：n=電機(jī)轉(zhuǎn)速
f=電源頻率
p=電機(jī)的極對(duì)數(shù)
s=轉(zhuǎn)差率
由式可見，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，所以改變電源頻率就能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。
三、變頻調(diào)速節(jié)電原理
變頻調(diào)速節(jié)電，顧名思義，變頻調(diào)速才能節(jié)電。下面主要對(duì)兩類典型負(fù)載應(yīng)用的節(jié)電原理作一下分析。
（1）、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用
恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載即不管轉(zhuǎn)速如何變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是恒定的。
如下公式：P=K*T*N
K=系數(shù)
P=軸功率
T=負(fù)載轉(zhuǎn)矩
N=轉(zhuǎn)速
從上述公式可以看到，軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)由于工藝的需要而調(diào)整電機(jī)速度時(shí)，自然可以達(dá)到相應(yīng)比例節(jié)電的目的。
（2）、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用
離心風(fēng)機(jī)、泵類是屬于典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其工作特點(diǎn)是：大多數(shù)是長期連續(xù)運(yùn)行，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以一旦轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，就會(huì)造成電機(jī)的嚴(yán)重過載，因此風(fēng)機(jī)、泵類一般不超過額定頻率運(yùn)行。
四、產(chǎn)品特性
節(jié)電效益顯著，節(jié)電率高達(dá)20%~60%；
平滑啟動(dòng)，消除啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)電流可限制在其額定電流的150%之內(nèi)；
減少電機(jī)發(fā)熱及運(yùn)動(dòng)部件的磨損程度，有效延長電機(jī)使用壽命，降低維修成本；
微電腦智能控制，自動(dòng)適應(yīng)、自動(dòng)跟隨，無需人工調(diào)整；
市電及節(jié)電狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，故障自動(dòng)報(bào)警，不影響正常工作。
適用范圍：
注塑機(jī)、空壓機(jī)、立窯風(fēng)機(jī)、水泵等流量、壓力及風(fēng)量需要調(diào)節(jié)的電流電動(dòng)機(jī)；
沖床、流水線、傳送帶、起重機(jī)等可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的交流電動(dòng)機(jī)；
其他由于工藝需求需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的交流電動(dòng)機(jī)。
不改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，完全不同于變頻器的新型節(jié)能裝置
五、變頻調(diào)速在不同行業(yè)的典型應(yīng)用對(duì)象
變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的調(diào)速性能、高效率、高可靠性在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)舉例如下：
冶金——軋鋼機(jī)、輥道、高爐風(fēng)機(jī)、泵、起重機(jī)械、高爐送料、鋼廠拋光等。
軋鋼制線——拉線機(jī)、卷繞機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵、起重機(jī)械、定長剪切、自動(dòng)送料
鋼鐵——軋機(jī)、輥道、風(fēng)機(jī)、泵、起重機(jī)、鋼包車、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)等。
電線業(yè)——拉絲機(jī)、卷繞機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等。
化工——擠壓機(jī)、膠片傳送帶、攪拌機(jī)、離心分離機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、噴霧器、泵等。
石油——輸油泵、電潛泵、注水泵、抽油機(jī)等。
化纖和紡織——紡紗機(jī)、精紡機(jī)、織機(jī)、梳棉機(jī)、漿紗機(jī)、中央空調(diào)、鼓風(fēng)機(jī)、泵類等。
汽車制造業(yè)——傳送帶、搬運(yùn)車、涂料攪拌、中央空調(diào)、電瓶車等。
機(jī)床制造業(yè)——車床、龍門刨、銑床、磨床、機(jī)械加工中心、剃齒機(jī)等。
電子制造業(yè)——中央空調(diào)、風(fēng)機(jī)、泵、空壓機(jī)、注塑機(jī)、傳送帶等。
造紙業(yè)——造紙機(jī)、造紙機(jī)械、風(fēng)機(jī)、泵、粉碎機(jī)、攪拌機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等。
食品——制面機(jī)、制點(diǎn)心機(jī)、傳送帶、攪拌機(jī)等。
煤氣、自來水——壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵、搬運(yùn)機(jī)等。
水泥——回轉(zhuǎn)窯、起重機(jī)械、鼓風(fēng)機(jī)、泵、主傳動(dòng)電機(jī)、傳送帶、振動(dòng)給料機(jī)、立窯風(fēng)機(jī)等。
礦業(yè)——泥漿泵、傳送帶、提升機(jī)、切削機(jī)、掘削機(jī)、起重機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等。
交通——電動(dòng)汽車、電力機(jī)車、船舶推進(jìn)、裝卸機(jī)械、空壓機(jī)、電纜車等。
裝卸搬運(yùn)——自動(dòng)倉庫、搬運(yùn)車、粉體運(yùn)送器、輸出傳送帶等。
建筑——電梯、傳送帶、空調(diào)設(shè)備、鼓風(fēng)機(jī)、泵等。
塑膠——橡膠截?cái)鄼C(jī)、注塑機(jī)、壓出機(jī)、塑料薄膜生產(chǎn)線等。
生活、服務(wù)——空壓機(jī)、縫紉機(jī)、電風(fēng)扇、工業(yè)及家庭用洗衣機(jī)等。
物流——立體車庫、自動(dòng)倉庫、傳送帶等。
電力——鍋爐鼓用鼓風(fēng)機(jī)、給水泵、離心混料機(jī)、傳送帶、揚(yáng)水發(fā)電站、飛輪等。
賓館酒店、大廈——中央空調(diào)系統(tǒng)、電梯等。
農(nóng)業(yè)——制茶機(jī)、水泵、離舍通風(fēng)、糧庫通風(fēng)等。
試驗(yàn)研究——電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置、主軸實(shí)驗(yàn)裝置、離心分離機(jī)等。
六、關(guān)于變頻調(diào)速節(jié)電的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)
變頻調(diào)速節(jié)電，調(diào)速才能節(jié)電，如果一臺(tái)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用的過程中根本都不需要或不能調(diào)速，裝了變頻器，不但達(dá)不到節(jié)電效果反而會(huì)增加能耗。現(xiàn)就離心風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載作以下說明。
風(fēng)機(jī)、泵類采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量的方法，是一種有效且節(jié)能的方法，這已被許多工程實(shí)例所證明，也被普遍接受。然而需要說明的是，并不是任何風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載使用變頻調(diào)速均可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。一臺(tái)風(fēng)機(jī)或泵能否節(jié)能，節(jié)能多少，變頻調(diào)速投資有沒有價(jià)值，這都與風(fēng)機(jī)或泵組實(shí)際運(yùn)行工況有關(guān)。由前所述，要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速節(jié)能的必備條件是：在風(fēng)機(jī)或泵的整個(gè)工作周期中，存在比較大的富裕流量。
有些系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷就比較滿，沒有多少溢流或放空的情況，此時(shí)采用變頻裝置就不僅達(dá)不到節(jié)能的目的，還會(huì)由于是變頻器的自身功率損耗而增添系統(tǒng)損耗。
雖然風(fēng)機(jī)，泵類是平方律負(fù)載，其軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，但在實(shí)際應(yīng)用中并不是轉(zhuǎn)速越低系統(tǒng)就越節(jié)能。主要是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)或泵與電機(jī)連成一體，在低速區(qū)系統(tǒng)的效率會(huì)大大降低，所以在進(jìn)行變頻調(diào)速范圍不宜太大，一般在額定轉(zhuǎn)速的50%以上。
另外，不管采取何種調(diào)速方式，都要以滿足生產(chǎn)工藝要求為前提，特別是風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)需要考慮系統(tǒng)對(duì)維持生產(chǎn)所需的最小揚(yáng)程、壓力或流量的要求。
七、應(yīng)用環(huán)境對(duì)變頻器的要求
雖然變頻器有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于變頻器使用電力電子器件如：整流橋、GTR、IGBT、IGCT等，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波、電磁輻射、傳導(dǎo)、射頻發(fā)射等電力電子污染。隨著電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用，電力電子污染問題越來越大，如果不從根本上加以解決，必將造成諸如控制系統(tǒng)癱瘓、頻繁誤動(dòng)作等不良后果。
所以，對(duì)變頻器的應(yīng)用也提出了必須滿足一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
如對(duì)于是諧波污染問題有IEEE519-1992和國標(biāo)GB加以規(guī)范。解決諧波污染問題的辦法主要有增加交流進(jìn)線電抗器、采用多脈沖整流技術(shù)等。
對(duì)于電磁輻射、傳導(dǎo)、射頻發(fā)射等電力電子污染有EMC標(biāo)準(zhǔn)EN61800-3加以規(guī)范。EMC產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN61800-3定義了第一類和第二類環(huán)境的概念，第一類環(huán)境指的是民用建筑以及不經(jīng)過變壓器而直接從民用設(shè)施上引出低壓供電電源的工業(yè)環(huán)境。第二類環(huán)境指的是不直接從民用設(shè)施引出低壓供電電源的工業(yè)環(huán)境。變頻器在第一類環(huán)境（如：機(jī)場、醫(yī)院、電視臺(tái)、廣播中心等）應(yīng)用時(shí)，需要選用第一類環(huán)境EMC濾波器；變頻器在第二類環(huán)境應(yīng)用時(shí)需要滿足二類環(huán)境EMC標(biāo)準(zhǔn)，變頻器需要采用EMC封裝技術(shù)或選配第二類環(huán)境EMC濾波器。
八、相應(yīng)的節(jié)電率
（1）、以改進(jìn)工藝為主要目的的，節(jié)電率只有0~30%。
（2）、以節(jié)能為主要目的的，節(jié)電率有20%~60%。
九、控制方式
一拖一或一拖多；以幾臺(tái)變頻器聯(lián)網(wǎng)控制。