基于变频技术在工业中的研究与应用

【摘要】随着冶金行业微利或无利时代的到来，节能技术尤显珍贵，本文主要讲述了变频器工作原理及节能技术，变频调速技术的应用对于节能减排意义重大，有利于企业节约能源，降低成本。

【关键词】变频器；选用；节能降耗；抗干扰；运行与维护

0.引言

伴随着国民经济的快速发展，工业化程度的提高，我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量约占全国用电量的60%，但电机的驱动系统的能源利用率不高，造成能源浪费严重，尤其在当今资源不可再生的状况下，提高能源利用率势在必行。对于当前工业状况的研究与统计，大部分电力系统都消耗在一些大功率设备上，如风机、水泵等。如何采取积极有效的节能减排措施，提高能源利用率是我国一直研究的课题，当前工业中利用最多的是变频技术的应用，通过变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，达到节能降耗，利于电网维护，提高电机设备使用寿命，减少维护成本，可获得长远的经济效益，具有广泛的社会效益。

1.变频调速技术

1.1变频技术概述

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有英威腾、汇川、三晶、紫日电气科技有限公司、雷诺尔、欧瑞(原烟台惠丰)、蓝海华腾。变频调速技术以其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性、系统的安全可靠性和延长设备使用寿命等优点而成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。变频调速技术涉及到电机、电力电子技术、微电子技术、信息与控制等多个学科领域，变频调速理论已经形成较为完善科学体系，成为一门相对独立的学科。而相对于大多数人来说，变频调技术是一项陌生而新奇的技术，变频器是一种高科技产品，是一种将交流电转化为可变频变压运行的电能转换装置，有工业维生素之称。变频调速装置通常由整流器、平波电抗器或滤波电容器、逆变器及控制电路组成。在中间直流电路中串接平波电抗器作储能元件的称为电流型变频器。中间直流回路并接滤波电容器作储能元件的称为电压型变频器。整流器将输入的工频交流电变换为直流电，经中间直流环节输入至逆变器，逆变器将直流电流变换为可调电压、可调频率的交流电输入到电动机。交 流调速取代直流调速， 计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是 当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变 频调速以其高效率， 高功率因数， 以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认 为最有发展前途的调速方式。

1.2变频调速与其它调速装置的性能比较

变频调速在调频范围，静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的变极调速、调压调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，代表今后电气传动的发展方向。现将各种调速装置的性能比较如下:

(1)变极调速的原理: 变极调速适用于不要求平滑、连续和频繁调速的鼠笼型异步电动机场合。变极调速通过改变异步电动机定子绕组的极对数p，使电动机同步转速n改变(n=60f/p,f为电网周波)，达到调速的目的。其优点是:转差率小，转差损耗少,使用维护简单方便。缺点是: 有级调速，不能平滑调速，而且级差较大。

(2)串级调速的原理:它通过在绕线式异步电动机的转子电路中串入一个与转子电势频率相同、相位相反的附加电势。通过改变转差率来调节绕线式异步电动机转速的一种调节方式，串级调速装置可将转差功率转化为机械能加到负载。其优点是:串级调速的效率较高，节能效果较好;调速装置的容量与调速范围成正比，范围小时装置容量也小，成本较低。缺点:可控硅串级调速功率因数低，产生高次谐波，对电网有污染;内反馈串级调速需采用特制的内反馈绕线式电机，需对绕线式异步电动机进行改造。串级调速适用于调速范围不大 (70%～95%)的绕线式异步电动机的场合。

(3)定子调压调速的原理: 它通过改变加在异步电动机定子端的电压，使电动机的机械特性发生变化，电动机的转差率发生变化，其转速也将改变。优点是:线路简单，运行比较可靠;调压装置体积小;使用维护较简单;便于自动控制及远程操作。缺点是:低速时转差功率损耗大，效率低;调速特性软;产生高次谐波，对电网有污染，对电机有影响。适用于大容量绕线式异步电动机的场合。

(4)液力耦合器的调速：液力耦合器安装在电动机与负载之间。可在电动机转速恒定的情况下，无级调节风机的转速。优点是:功率适应范围大，可以满足从几十至几千乃至上万千瓦的不同功率的需要;结构较简单，改造投资不算太大;可空载起动，不产生高次谐波，对电网无影响;调速范围为20%～97%，可以隔离电动机和泵的振动，缓和冲击。缺点是:有滑差损失，属低效调速装置;滑差功率损耗变为油的热量使油温升高，需要冷却设备;低速、小功率的液力耦合器造价较高;且效率低，效率与转差成反比;液力耦合器达不到电机额定转速; 调速精度差，稳定性差。

2.变频技术应用

2.1宽带钢加热炉助燃风机现状分析

莱钢1500宽带钢加热炉助燃风机由四台功率是355KW的风机组成，其电能消耗巨大，通过对实际生产应用检查，四台加热炉助燃风机风门开度20％-50%之间，设备负载率低，能耗浪费较高，且现场直接启动风机电流较大，对机械设备和电机损害较大，因此对其使用变频节能改造具有重要的意义。

2.2 风机节能原理

由流体力学可知，风机和水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。风机和水泵的电动机的轴功率P与其流量（风量）Q，扬程（压力）H之间的关系式如下：P（功率）=Q（风量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，公式如下：

当流量由Q1变化到Q2时，电动机的转速

由以上公式可以看出，风机和水泵的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速如果水泵的效率一定，当要求调节风量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8％，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5％.

3.效果分析

将加热炉助燃风机进行变频调速技术改造后，减少了异步电机启动时对电机和风机机械损伤，降低设备隐患，节省维护费用。由于控制精度的提高，风量易于控制，优化生产流程，进一步提高了带钢温度控制，利于后续轧制，进一步提高了板形质量，为赢得市场打下基础，取得了良好的经济效益。

【参考文献】

［１］郭庆华.风机变频改造节能技术的应用[J].风机技术，2005,(02).

［２］韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

［３］杜金城．电气变频调速设计技术[M]．北京：中国电力出版社，2002.