流电动机变频调速技术的优势与经济性浅析
2016/8/31 8:55:39
变频调速技术的原理
变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。
交流异步电动机的输出转速由下式确定：
n=60f（1—S）/p （1）
式中：n—电动机的输出转速；
f—输入的电源频率；
S—电动机的转差率；
p—电机的极对数。
随着计算机技术的发展，变频调速技术得到越来越广泛的应用，本文围绕该技术的理论原理，结合目前在发电站中的应用现状，简要分析了变频调速技术在现代电力行业应用中的性能优势和经济意义。
从20世纪70年代开始，计算机技术的飞跃发展使得现代控制理论得以被广泛应用到实际工业生产中。交流电力拖动系统逐步具备了调速范围宽、稳速范围大、稳速精度高、动态响应快以及在四象限中实现可逆运行等优良性能。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持续得到提升，而价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，因此深受工业行业的青睐。
由公式（1）可知电动机输出转速与输入的电源频率、转差率、电机极对数之间的关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速（调整p）、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机（调整S）和变频调速（调整f）等。
变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。
2 变频调速方式
将交流电由固定的50Hz工频变换为可变频率主要有两种方式：
1）直接变换方式。它是通过可控整流和可控逆变相结合，将输入的工频电流直接强制转化为所需频率的交流输出，因而又称为“交-交变频”方式。
2）另一种称为间接变换方式，又称为“交-直-交变频”方式。它是先将工频交流电输入通过全控（或半控/不控）整流变换为直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出。
3 变频调速的节能分析
由于风机（或水泵）等电机拖动设备的负载是平方转矩型，转速n与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：
Q1/Q2＝n1/n2 （2）
H1/H2＝2（n1/n2） （3）
P1/P2＝3（n1/n2） （4）
假设工况不变或类似：
Q1、H1、P1——风机（或水泵）在 n1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；
Q2、H2、P2——风机（或水泵）在n2转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率。
由公式（2）、（3）、（4）可知，风机（或水泵）的流量与转速成正比，压力（或扬程）与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
由公式（4）可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，节电效果非常明显。例如工况只需要50％的风量或水量，则可以将电机的转速调节为额定的一半，此时电机消耗的功率仅为额定的12.5％，即理论上节能可达87.5％。
4 变频调速的性能特点
同传统液力偶合器等调速方式相比，变频调速的性能优势非常明显：
1）消除了对电网的谐波污染。具有拓扑结构与输入变压器副边多级绕组移相整流技术，降低了输出侧的电流谐波，提高了功率因数，无需任何滤波或功率因数补偿。
2）保护功能完善。同原来的继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，瞬间过流保护（超过200%额定电流峰值）10 μs，动作有效过流保护（150%额定电流）3 s动作，过载保护（120%额定电流）1 min动作，大大加强了对电动机的保护。
3）电动机可实现软启动、软停运。变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，峰值电流和峰值时间大为减少，可消除对电网和负载的冲击，避免产生操作过电压而损伤电机绝缘，延长了电动机和风机、水泵的使用寿命。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机、水泵处于共振点运行的可能性，使风机、水泵工作平稳，轴承磨损减少，启动平滑，消除了机械的冲击力，提高了设备的使用寿命。
4）调节灵敏，精度高，范围广。调节调速工段内的设备调节和优化控制由机组DCS完成。DCS负责采集模拟量、开关量等信号，变频器输出的模拟量、开关量信号全部进入DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机联锁功能等。
5）节电效果显着。实现了挡板、阀门全开，从而减少挡板、阀门节流损失，且能均匀调速，满足调峰需要，节约了大量的电能。
6）运行噪音低。运行频率下降至40 Hz左右时，电机的运行噪音明显下降，低于80 dB，而低速运行时基本上听不到噪音，达到65 dB以下，大大降低了现场的噪音污染。
7）转动部件发热小。由于电机降低速度运行以及工作在高效率区，电机的温升和轴承温升下降明显。电机的前后轴承的温度都有相应的下降，延长了风机系统的使用寿命。
8）机械损耗小。由于低负荷下转速降低，减少了机械部分的磨损和振动。风机大修周期延长，可大大节约检修费用。采用液力偶合器每年的维护费用约在5万元左右，而采用变频器后，这项费用可下降为数千元左右。
5 变频调速技术在发电站中的经济优势
变频调速技术在发电站中主要用于各种风机和水泵，下面以水泵为例，对变频调速技术在发电站应用的经济性作简要分析。
交流水泵传统上是由恒速电机驱动出口阀及调节阀控制水的流量和压力，通过人为增加阻力和回流的办法调节流量，大量能量损失在调节过程中损失了。
水泵的转速在某一范围内变化时，流量、总扬程、轴功率依次有线性、平方、立方关系。但对于实际的水泵负载，通常存在一个与高低差有关的实际扬程，扬程越小，轴功率越接近于同转速成立方的定常特性，而且转速控制产生的节电效果也越大。
当采用变频调速时，50 Hz满载时功率因数为接近l，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电厂节约容量20%左右。
以一台800 KW的凝结水泵为例，改造为变频无级调节后，每年耗电量大约可降低200万kW/h，节电率大约可达到45%～50%左右。按该发电站上网电价0.334元/（kW·h）计算，则每年直接经济效益约为0.334X200=66.8万元。