当前位置: 主页 > 论文下载 > 工学论文 >

浅析电动机变频节能技术

作者：樊小金日期：2015-02-09 09:25 来源：《电子制作》

大唐华银株洲发电有限公司湖南 412000

【文章摘要】
本文基于变频器节能原理及如何促进电动机高效化目标探讨了节能应用问题策略，对提升电动机节能运行水平、优化节能效果，发挥变频器优势效能，创设显著经济效益与社会效益有积极有效的促进作用。
【关键词】
电动机；变频器；节能；自动化
0 引言
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
1 变频器基本原理
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。变频器选型时要确定以下几点：采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。变频器可以分为交- 直- 交和交- 交两大类。交- 直- 交变压变频器先将工频交流电源通过整流器转换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电源。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制逆变器，简称PWM 变压变频器。
交- 交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频的交流电源，直接变换成可控频率和电压的交流电源。常用的交- 交变压变频器输出的每一相都有一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得了可控的变压变频电源。交- 交变压变频器虽然少了直流转换环节，但是由于整流装置都是正反两组，所以使用的器件数量反而比交- 直- 交方式的多。并且，交- 交变频器的输入功率因数低，谐波含量大，频谱负杂，且输出频率不超过电网频率的1/2。
2 电动机运行高效化
电动机为主要将电能输入合理转化为旋转运行机械能量的设备，其运行高效化便可降低该能量转换进程中形成的能量损耗，其具体的损耗涵盖转子铜耗、定子铜耗、机械损耗、铁耗与杂散损耗等。其中定子与转子铜耗主要由于电流流入定子、转子导体而形成损耗，铁耗则由于旋转于铁心中的磁场形成了涡流与磁滞损耗。机械损耗由轴承摩擦与空气阻耗引发，而产生于上述能量消耗以外的损失则为杂散负荷损耗。由变频器实施驱动的运行电动机种类包括感应电动机与永磁电动机。如果用IPM 缩写字表示则意味着该电动机为内置永磁式，也可被称作为同步高效电动机。IPM 电动机主要装入永磁体至转子内部，该永磁体通过内置形成磁通，因此不需励磁电流便可令定子铜损有效下降，其应用效能相比于感应电动机可最大化提升约百分之十的运行工作效率。同时IPM 的低损耗性可降低热容量，因此较感应电动机具有轻量化与小型化的优质特征。感应电动机由于不包含永磁体因而具有结构坚固、易于维护等特征，在较多工厂企业中应用较为广泛，倘若要有效提升感应电动机运行服务效率则应合理降低各项损耗。其中定子铜损占据较大能量损耗比例，可通过改变藉绕线方式令导线长度缩短。为降低铜损还可提升槽满率，通过重新设计转子槽形令额定运转阶段中的转子铜耗有效降低。同时合理选用高磁密、低损耗铁心材料可降低铁耗、优化组合转子槽及定子，优化设计转子斜度与气隙长度则可有效降低杂散损耗。总之电动机运行应用的高效化可比普通电动机降低约百分之二十的能量损耗，倘若减少冷却风量，科学应用小直径风扇则可有效降低通风损耗。
3 变频器节能原理
由电动机主体旋转速度相关定义不难看出，调节改变电动机的运行转速可基于改变频率与电动机主体磁极数得以实现。而变频器可对其输出的总体电压频率进行任意调节，令三相电动机位于任意运行速度下操作进而实现无级调速目标。变频器具体由逆变直流为任意频率交流及整流工频电源为直流换流器的逆变器构成。换流器则包含全波三相整流器、滤波抑制电容器、平稳脉动滤波电容器与充电阶段浪涌控制回路。倘若在确保电压不变恒定状态下仅改变频率便能将电动机转速改变，进而确保转矩的恒定输出，即恒转矩输出。倘若输出频率低于五十赫兹，则伴随电动机磁通的持续增加到达饱和状态时，便会令电动机由于电流的持续增大引发过热现象并最终发生烧损。为科学避免该类不良现象，应始终维持磁通在一定状态，即电压与磁通应呈正比，而磁通则应与频率保持反比例固定关系。变频器的电压输出与频率输出比值是控制电动机能耗效率的主体因素。
4 变频器节能运行实例
变频器的节能运行是从泵、风机等大容量机械开始的，而且不断推广目前，家用空调压缩机也已采用该技术。
4.1 在泵类机械中的应用
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。用变频器调速来实现恒压供水与调节阀门来实现恒压供水相比较节能效果十分显著。变频器恒压供水简易控制系统应用某小区高层楼宇供水管网中，系统利用变频器内部的PID 功能实现了工业过程的闭环控制。系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力信号转换为4-20MA，并输入至变频器反馈端子上，由变频器将其用户设定的压力值（一般为0.4Mpa）进行比较，并通过变频器内置PID 运算将结果转换为频率信号调整水泵电机的电源频率，从而控制水泵转速，使总管网压力稳定在0.4Mpa 左右。由1 台变频器控制3 台水泵，正常时一号水泵工作。当一号水泵工作在最高频率上限时，而管网压力小于0.35mpa 达s 时，表明一号水泵不能满足用户所需的水量。这时系统发出指令，一号水泵转入工频运行，变频器控制二号水泵软起动，使二号水泵进入变频运行状态。同理，需要水量较大时一号、二号水泵在工频运行，变频器软起动三号水泵，进行PID 调节以保证供水系统所需的供水压力。当用水量减少时，总管网压力升高到0.45mpa，变频器内部PID 控制器输出频率降低，三号泵的转速逐渐降至20HZ 达20s，系统发出推出一号泵运行指令，同理，用水量继续减少时，供水系统推出二号泵的运行指令。当深夜基本不用水时，管网压力恒定在0.45mpa，变频器频率降至20HZ 达1 分钟，变频器可停止工作，进入低水量睡眠状态。这对降低噪声和节能都具有非常大的作用。其优点是：起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命，消除水锤效应。
4.2 在风扇、鼓风机等送风机中的应用
送风机从工作原理上可分为涡轮式和容积式，与泵相同，其轴功率与转速的立方成正比，但它不像泵类机械那样，因扬程高低而产生损耗。在这类调速系统中，只要改变变频器的运行模式，即可节约大量功率。其模式主要有：连续低风量型，全风量变化型，低风量变化型，间接运转型。实际表明，不同的电动机容量采用变频器控制时每年节约电量是不同的。例如1.5KW 风机，连续低风量型是1707KWH，全风量变化型320KWH，低风量变化型627KWH，间接运转型212KWH。
5 结束语
变频器调速技术已成为节能、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的有效措施。其重要性日益得到世界各国的重视。在世界能源紧缺的今天，开展变频调速技术的研究、推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。
【参考文献】
[1] 邓隐北；变频电动机的最新动向及应用[J] ；变频技术应用；2010。
[2] 郭小勇；浅淡变频器应用在电机中的节能原理[J] ；科技创新导报； 2010。
[3] 吴忠智，吴加林；变频器原理及应用指南[M] ；中国电力出版社第一版；2010。