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交流变频调速技术的优势与应用


交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展,性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现,这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。对于可调速的电力拖动系统,工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器--整流子。

20世纪70年代后,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能,在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中,变频调速具有绝对优势,并且它的调速性能与可靠性不断完善,价格不断降低,特别是变频调速节电效果明显,而且易于实现过程自动化,深受工业行业的青睐。

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1.与其它调速方法的比较:

交流电动机的调速方法有三种:变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中,变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。

在直流调速系统中,由于直流电动机具有电刷和整流子,因而必须对其进行检查,电机安装环境受到限制。例如:不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外,也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题,主要表现为以下几点:  

第一,直流电机由于受换向限制,其电枢电压最高只能做到一千多伏,而交流电机可做到6 - 10kV   

第二,直流电机的单机容量一般为12 - 14MW,还常制成双电枢形式,而交流电机单机容量却可以数倍于它。  

第三,直流电机受换向器部分机械强度的约束,其额定转速随电机额定功率而减小,一般仅为每分钟数百转到一千多转,而交流电机的达到每分钟数千转。

第四,直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。

最后,特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面,交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重,这类负荷实现节能,可以获得十分可观的节电效益。另一方面,交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中,选用电机时往往留有一定余量,电机又不总是在最大负荷情况下运行;如果利用变频调速技术,轻载时,通过对电机转速进行控制,就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等,其用电量约占工业用电量的50%;如果采用变频调速技术,既可大大提高其效率,又可减少10%的电能消耗。

 

2. 交流变频调速的优异特性:

(1) 必须有专用的变频电源,目前造价较高。  

(2) 调速时平滑性好,效率高。低速时,特性静关率较高,相对稳定性好。   

(3) 在恒转矩调速时,低速段电动机的过载能力大为降低。

(4) 变频器体积小,便于安装、调试、维修简便。

(5) 调速范围较大,精度高。   

(6) 起动电流低,对系统及电网无冲击,节电效果明显。     

(7) 易于实现过程自动化。   

 

3. 合理应用

交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动,由于有效地利用了变频调速技术,仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。   

采用变频调速,一是根据要求调速用,二是节能。它主要基于下面几个因素:   

(1) 变频调速系统自身损耗小,工作效率高。   

(2) 电机总是保持在低转差率运行状态,减小转子损耗。  

(3) 可实现软启、制动功能,减小启动电流冲击。   

在采用变频调速时,需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑,下面几种情况选用变频调速较有利:根据工艺要求,生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如:包装机传送系统,根据不同品种的产品,需要改变系统传送速度,使用变频调速可使调速控制系统结构简单,控制准确,并易于实现程序控制。  

用变频调速代替机械变速。如:机床,不仅可以省去复杂的齿轮变速箱,还能提高精度、满足程序控制要求。用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如:锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制,不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门(或挡风板),而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。 

 

4. 变频器容量的确定

变频调速是通过变频器来实现的,对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验,比较简便的方法有三种:  

(1) 电机实际功率确定发 首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。   

(2) 公式法 设安全系数取1.05,则变频器的容量PbPb = 1.05Pm/hm×cosy (kW)   

式中,Pm为电机负载;hm为电机功率。 

    计算出Pb后,按变频器产品目录可选出具体规格。  

In为第n台电动机的额定电流,n为电机的台数。

在任何情况下,都不能在连续使用时超过额定电流I。  

(3) 电机额定电流法变频器 变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。虽然变频调速有诸多优点,但也有其不利因素,主要问题是电流中含高次谐波较多,除对电网有污染外,也使电机自身增加损耗,引起电机发热。再有,变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时,还需进行技术处理。  

此外,不是任何情况下变频器都节电,如果电机负载变化不大,或深井泵配有水塔,节电、节水效果都不大,就不宜使用变频调速。

交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展,性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现,这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。目前,国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展,我国也在加快发展步伐。


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