高压变频器将在风机水泵类的节能应用中起到重要角色
| 1 综 述 交流变频调速技术近年来一直在研制和发展，我国目前在各行各业都可以看到它的应用。随着电力电子技术、大功 率元器件的开发技术和自动控制技术的迅速发展，使交流变频器在风机水泵类机械中得以更广泛的应用，同时交流 变频调速技术也正朝着大容量，高电压和高性能的方向发展。多年来由于种种原因,在我国存在着大量不调速的机 械设备,而这主要集中在风机水泵类，它们消耗和浪费了大量的电能。随着能源消耗、生产成本越来越得到了各级 主管部门和企业界的重视，高压、大容量变频器的开发和应用也越来越得到人们的重视，目前已开始在风机水泵类 的节能中初现端觅。由于它们的容量大，其节能效果非常显著。相信高压、大容量变频器将在未来的节能领域中起 到至关重要的作用，将是提高企业的经济效益和社会经济效益主要手段之一。 2 风机节电原理 风机类机械设备主要进行转速控制，以调节风量、阀门的开口度等方法完成工艺流程的要求。利用变频装置对风机 进行转速控制属于减少空气动力节电方法,是一种较好的节电方式.它和一般常用的调节风门控制风量方法比较,有 着明显的节能效果.通过图1可说明其节电原理.图中曲线 (1)为风 机在恒速下风压-风量(H-Q)特性, 曲线(2)为恒 速下功率-风量(N-Q)特性, 曲线(3)为管网风阻 特性( 风门开度全开). 假设风机设计时工作在A点效率最高，输出 风量Q1为100%, 此时轴功率N1与Q1和H1的乘积面积AH1OQ1成正比。根据生产工艺要求，当风量需从Q1减少到Q2(例 如50%风量)时。如采用调节风门方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线(4)，系统由原来的工况点A变 到新的工况点B运行，图中看出，风压反而增加，轴功率与面积BH2OQ2成正比，减少不多。若采用变频调速控制方 式，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，从图1可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅度降 低，功率N3随着显著减少，节省的功率损耗与面积BH2H3C成正比，节能的经济效益是非常明显的。 由流体力学知道，风量Q与转速的一次方成正比，风压H与转速的平方成正比，轴功率N与转速的三次方成正比，因 此当风量减少，风机转速下降时其功率降低很多。譬如风量下降到80%，转速也下降到80%时，则轴功率N将下降到 额定功率的51%。当然转速的下降也会引起效率的降低及附加控制装置的效率影响等，即使这样，这个节电效果也 是相当可观的。 3 供水系统的节能分析 在供水系统中,通常是以流量为控制对象的。常见的控制方法有阀门控制法和转速控制法，采用变频调速的供水系 统属于转速控制法。对于节能效果的分析，常常是对这两种方法进行比较的结果。 1) 阀门控制法:即通过关小和开大阀门来调节流量，而电机的转速则保持不变(通常为额定转速)。阀门控制法的实 质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量。因此，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。设用 户所需流量为60%QN，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线(3)，而扬程特性则为曲线(1)，故供水系 统的工作点移至E点，如图2所示。这时:流量减小为QE;扬程增加为HE;由供水输出功率PG与流量Q和扬程HT的乘积成 正比的关系， 即:PG=kP·HT·Q(kW); 其中:kP是比例常数。 可知供水功率PE与面积ODEJ成正比的。 2) 转速控制法:即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变(通常为最大开度)。转速控制法的实质 是通过改变水的势能来改变流量的。所以，当水泵的转速改变时，扬程特性也随之改变，而管阻特性则不变。仍以 用户所需流量等于60%QN为例，当通过降低转速使QE=0.6时，扬程特性为曲线(4)，管阻特性则仍为曲线(2)，故工 作点移至C点。因为C点是在管阻特性曲线 (2)上，流量减小为QE;扬程减小为HC;供水功率PC与面积ODCk成正比。 3) 两种方法的比较:比较这两种调节流量的方法，可以看出:在所需流量相同，且QX<100%QN的情况下，转速控制时 的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差 便是转速控 制方式节约的供水功率，它与面积kCEJ(图2中的阴影部分)成正比。这就是变频调速供水系统具有节能效果的基本 原理。 4 高压变频装置应用在风机水泵类将更能取得实际节能效果 目前在冶金行业采用了大量转炉炼钢技术，而转炉除尘风机是一个非常好的节能对象。根据炼钢工艺要求，它正常 运行在额定转速的时间与低速时间段基本各占50%，即:若我们对炼钢工艺熟悉的话，转炉除尘风机仅在转炉出钢水 阶段要求快速高速运行，即吸附走炼钢车间中的粉尘烟雾;而在转炉冶炼阶段，由于炼钢车间中的烟雾非常小，转 炉除尘风机基本运行在非常低的转速状态下，甚至可以处于停车状态中。对于此类风机，从风压-风量特性、功率- 风量特性和管网风阻特性 分析上都认为应采用调速方案。例如一台20吨转炉，其除尘风机的电机容量为440kW，一 年转炉的冶炼时间按250天计算(除去转炉的中、小修的时间)，每一度电我们取0.6(元)/kWh。则一年可节电和获得 的经济效益为(在这里我们忽略了机械设备的损失): 250×24×50%×440=1,320,000kWh 1,320,000kWh×0.6(元)/kWh=792,000 (元) 从这个数字可以感到它的节能效果是如何的可观。这里的例子是一座在当今炼钢厂比较小的炼钢转炉，转炉越大， 则除尘风机的电机就越大，其节能效果就越加显著。而目前转炉除尘风机的调速普遍采用的方案为液力耦合器技 术，也有采用电机变级调速方案的，其效率应该说都非常差，且日常维护量非常大。究其没有采用变频器方案的主 要原因是: 1) 现有的转炉除尘风机的电机容量和电压等级都大和高，我们知道现炼钢厂普遍采用的转炉一般在20-30吨容量以 上，而配置的电机一般也在440kW以上，且电机的电压等级大多为6kV 。这对变频器提出了较高的要求。 2) 在近年研制、开发和制造的高压变频器中(下转50页)还基本应用在几兆瓦数量级上，而对于几百kW容量的高压 变频器的技术方案尚不尽合理且价格比也尚不易接受。 随着当今大功率电力电子技术的发展，大规模集成电路技术、现代拓扑技术、多电平的大容量高电压变频装置已经 在工业系统中得以应用。目前就我们所知，国际上几个著名的电气公司厂家如:SIEMENS、ALSTOM、ABB和GE- TOSHIBA等都相继开发出了2.4kV、3.3kV、4.2kV和 6.6kV的高 电压型的变频器，他们所采用的大功率元器件以及 高压变频器的结构也不尽相同。如: SIEMENS、 ALSTOM更倾向于使用GTO和IGBT的大功率器件，而ABB和GE-TOSHIBA 则更倾向于 使用GTO和IGCT。在主回路的结构上ALSTOM采用四电平的结构;而其他几家则为三电平的主电路结构。 对于控制回路系统则基本类同，都采用全数字化的工业控制器、PWM的调制技术。目前国内的研究单位也正在积极 的进行组织开发。这种新技术和新装备的到来势必掀起一节能化应用的新局面。用它取代原有的风机水泵类传统机 械的调节风门和阀门的方案,使之获得更多和明显的效益。我们承认若选用变频器的调速方案的话，一次性投资较 高。但从节能效果上、较短的回收期、日常维护量和经济效益等多方面指标上来进行综合评价。我们选择变频调速 方案，可以很好地满足工艺的动态和精态要求，节能效果显著，系统运行更加合理和可靠，大大减少整套设备的维 护量，从而可以实现完全自动化控制。 5 结论 随着改革、开放和我们当今的市场经济的发展，同时我国在去年也加入了WTO。高压大容量变频调速技术是传动领 域的高新技术产业，用它来改造我国传统的工业，提高节能技术的水平和规模。节约能源将可以获得非常好的经济 效益和社会效益。从上举的实际例子，我们可以感觉到节能的潜力。 |
