推广变频器的应用意义重大

推广变频器的应用意义重大

山东大学电子系教授 韩文昭
山东汶上凤凰电子有限公司总工 李瑞来

　　假如有这样一部汽车，它的油门开的很大，所以跑的很快，但它的油门是固定死的，要减速只能踩刹车，这种设想聪明吗？现实只中绝不允许这样的的车通行，以为它的调速太笨，耗油太多。
　　电厂发电，电网送电，电到了用户身边，这就是50HZ的电。风机接上电几高速旋转，要想减少风量，就关小风门，这种调风量的办法比用煞车法调速的汽车高明 吗？然而成千上万的风机就这样运转着，运转了几十年，还在运转着，多么蠢笨的控制方式，多么可怕的能源浪费呀！
　　其实很简单，我们能轻而易举地把愚笨控制改为智能控制，把固定速度的电机变成快慢控制自如的节能电机。手段就是变频器，市电经过变频器后就变成频率大范围连续可调的电源了，用这种电源给电机供电，就实现了交流电机的调速。
　　据1997年11月7日《中国机电日报》报导，在我过应用量大面广的风机、水泵，1996年装机总容量以达一点六亿千瓦，年总耗电量３２００亿千瓦时，约占全国总耗电量的三分之一以上，成为目前耗电量最多的设备，于国外发达的国家比，我国风机、水泵实际运行效率相当低，节约潜力巨大。据专家测算，利用目前成熟的先进调速技术对其进行节能改造，一年可节约电量1100亿千瓦时，相当于三峡工程总发电量的1、3倍，直接经济效益500亿元。
　　21世纪人类面临三大难题：能源、资源、和环境，我国有12亿人口，三大难题的压力就比世界上任何一个国家更加突出。幸好我国的变频技术已经有了飞速发展，这种技术将是我们解决三大问题的有力武器。可以设想，如果火车、汽车等交通工具都变成了变频调速的电车，大气污染的治理就算拿大了金钥匙。节约能源、节约资源对一个企业来说是节约资金的问题，对整个国家、整个人类来说则是利在当代功在千秋的大事业。
　　把电源从50HZ中解放出来！使控制变成智能化！
　　一、变频器的基本原理
　　变频器的种类有多种，我公司生产的JD_BP系列变频器是用途最广泛市场上最多见的一种，即交流感应电动机用的变频变压调速器，习惯上称VVVF变频器。
由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：
n=60·f s (1—s)/p
f s为电机定子频率（也即是电网频率），p电机定子的绕组极对数，s为转差率。
由上式可知，只要转差率不太大，可以近似认为转速n与f s成正比，这就意味着连续平滑的改变电源频率，就可以实现交流电动机大范围的连续平滑调速。例如一个额定转速3000转/分的电动机，由我变频器供电，若启动频率设定为5HZ，那么变频器可以运行在5—50HZ之间的任一频率上，则电动机可以运行在300——3000转/分之间的任一转速上》电动机由市电启动，启动平衡，力矩大又节能。
　　50HZ380V的市电经过整流滤波环节后成为直流电，再经过逆变环节变成了频率和幅度都可调的交流电。在变频器主回路中电能经过了交流——直流——交流的变换，所以这类变频器称作交——直——交类变频器。
　　变频器内部的控制是用微软电脑实现的，对变频器的操作有两个途径，其一是用面板上的键盘，其二是外控，即从机内控制端子上引出线来，在一个合适的地方对变频器进行控制。
操作细节见使用说明书。
　　二、变频器的适应场合和技术水平。我公司生产的JD_BP系列变频器从1、5到400KW，计有22个型号，在以下场合特别合适：
　　1、多台电动机的同步拖动，如辊道、化纤工业中的纺丝机等。
　　2、由于环境所限，必须采用封闭式鼠笼型电动机又要求有较大调速范围者，如化工企业中的某些设备。
　　3、高速传送机械，如如某些磨床。
　　4水泵、风机空气压缩机类负载，这类负载节能极为明显。
　　5、提升类负载，如矿山用提升机。
　　其实凡是交流电动机需要调速的场合都就变频器的用武之地：列如钢厂喂丝机，塑料行业的挤塑机，建材行业的带肋拔丝机，输送带起重机，卷取机，机床主轴，等等不胜枚举。
　　买变频器是进口机还是国产机？
　　过去人们青睐进口机，尤其是有钱的大企业。现在人们观念在转变，国产机售后服务周全，机器出了问题不会找不到维修单位，修不好可以换新的，再说，价格上国产机也有明显优势。
　　就普通变频器（高压大容量、精密控制的除外）而言，国产机的技术性能已经与进口机相近或相同。
　　首先是技术指标相近或相同，如频率范围和频率精度，控制方式，保护功能等等，与进口机差不多。列如在供水方面我机与世界名牌ABB进口机性能一样，操作方便程度一样。
　　其次是关键器件相同或相近。
　　最重要的关键器件有二，其一是功率开关管，其二是控制系统的核心——单片机，这两器件我们用的世界最好品牌。
　　与国产变频器相比，我们属于先进水平。首先我机的软件是先进的，它是根据用户实际情况自主开发的，例如为矿山提升机写的软件具有极好的低频性能，敢说技压群芳。
　　其次是电路板的制作讲究，电路板就找著名厂家加工的，焊接是在国家一级企业的波峰焊生产线上进行的，质量完全有保证。
　　三、变频器驱动风机的节能原理
　　流体力学知识给出了流量Q转速n电动机功率P，流体压力H之间的关系表达式：Q1/Q2=N1/N2； H1H2=（N1/N2）2 P1/P２＝（Ｎ１／Ｎ２）３
由流体力学可知，传输管道给定之后，阻力R为某一常数C时，用转速调整流量，压力H与流量Q有函数关系。
H=F1（Q）|R=C
要求Q增加，H必然有更快的增加，
管道粗则阻力小，用R1表示。
管道细则阻力大，用R2表示。R2>R1
为得到流量QA,粗管压力为H1,细管压力为H2.同一个H2的压力,在细管中对应小流量QA,在粗管中则对较大的流量QB．
转速n 一定时，用改变管了阻的办法调整流量，压力与流量也有一个固定函数关系。
Ｈ＝f2(Q)|n=c对同一转速而言，流量增加，压力必定下降；；转速下降，对应同一流量的压力也下降n1。 n2，所以 n2曲线在下，曲线n1在上。
现把图2和图3的曲线画在同一张纸上，一个工作点由4个参数来确定：H 、Q、n、R。
现设风机工作在A点上：管阻为R1，转速为n1,流量为Q1，为了减小流量到Q2，有二个途径供选择。其一，把工作点移到B点，这就是转速不变增加管阻（调风门）的情况。
　　在这种情况电机的轴兴功率为：
　　PB=H2·Q2/n　n为风机的效率　其二，把工作点移至C点，这是管阻不变降低转速n 的办法（转速由n!减至n2），这时电机轴头功率为:
Pc=H2·Q2/n　n为风机的效率
由于H2明显的大于H1,所以PB明显大于PC.
由此不难看出,用降低转速的办法可节省的功率是:
P=Pb-Pc=Q2·(H2-H1)/n
P通常达Pb的３０％，甚至５０％
　　这便是变频器用到风机上的节能原理用以上的方法也利用分析变频器在水泵上的使用情况.
　　水泵系统,风机系统在设计时都留有足够大的容量保险系数.从发展的观点,从有备无患(例如火灾用水)的观点来看是十分必要的.可这就造成了平时出力不足,造成不必要的能源浪费．用变频器改造现有的供水＼风机系统便可很好的解决这个矛盾．

　　四、节能与负载类型的关系
　　使用变频器的目的不外乎两个：调速、节能。变频器的负载是交流电动机，电动机的负载种类繁多，现按功率与转速的关系来进行分类：
　　1、恒功率负载，例如：卷取机，轧机，机床主轴等这类负载使用变频器的目的主要在于调速，节能效果不明显。
　　2、功率正比于转速负载，例如：输送带起重机、挤压机、压缩机等。这类负载用上变频器节能效果明。 　　3、功率正比于转速平方的负载，例如：各种水泵、油泵等，这类负载用上变频器，节能效果更明显。
　　4、功率正比小于转速立方的负载，例如：各种风机，风扇，这类负载用上变频器，节能效果最明显。
　　五变频器的应用实例
　　每台变频器都有一本节能帐，这里仅举几例说明之一。