变频器在风机类电动机上的节能应用
摘要:文章介绍了变频器对风机、泵类电动机在运行过程中为了达到节能运行而采用的工频电源到变频器的功能切换以及从变频器到工频的功能切换,发生瞬时停电也继续运转的瞬停再起动功能实现等。
关键词:工频电源;变频器;非同步切换方式;同步切换方式;瞬停再起动控制
中图分类号:TM921文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)21-0108-03
随着科学技术的进步,变频技术日趋完善,变频器在用于电动机调速方面,其性能胜过以往任何一种交流调速方式,而且结构简单,因而成为交流电动机调速的主流。
由于异步电动机占电动机总数的比例较大,故其调速方法和控制技术无疑将成为电动机控制技术的关键技术,而变频器与异步电动机的结合则是交流电动机调速系统的最佳选择。我们工矿企业风机泵类机械主要是节能稳定运转,从投资方面来看则希望价格便宜。另一方面,对于高可靠的连续运转要求迫切,需要有从工频电源到变频器的切换功能,以及从变频器到工频的切换功能,发生瞬时停电也继续运转的瞬停再起动功能等。
1节能原理
风机一个大的特点是通常负载转矩与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。因此,将从前的电动机以定速运转,用挡板阀门调节风量的方法,改用根据所需要的风量调节转速就可以获得明显的节电效果。
1.1 挡板控制与转速控制
电动机以定速运转,调节风机风量典型的方法是采用挡板控制。根据挡板在风道中的安装位置可分为出口挡板控制和入口挡板控制。出口挡板控制,当挡板关小则增加风阻,不能广泛调节风量。另外,在低风量区域轴功率减小不多,从节能的观点来看不适合于风量控制。通常用于一台风机由多风道送风时的风道开闭选择。入口挡板控制比出口挡板控制风量控制范围广,关小入口挡板时轴功率大体与风量成比例下降。
1.2与挡板控制相比,转速控制的节电效果好
图1中的理想曲线表示用效率为100%的调速装置进行转速控制时,所需要的功率。实际的调速装置根据控制方式的种类效果是不同的。其中效果最好的与理想曲线接近,同理想曲线的差距表示调速装置的损耗。图中示出了电磁滑差离合器等传递功率调速控制和变频器控制的例子,显然同效率差的电磁滑差离合器等相比,效率高的变频器控制更接近理想曲线。
2工频电源到变频器的切换控制
根据鼓风机的运转特性来比较一下各种控制方式所消耗的功率,可以发现在高风量区(90%～100%风量),从前的挡板控制,特别是入口挡板控制与变频器的转速控制相差无几,越是低风量,变频器控制的消耗功率越是显著减小。另外,最大(100%)风量时用工频电源使电动机运转比变频器控制效率高。因此,在高风量区采用工频电源使电动机定速运转,只在低风量区采用变频器控制,这样可以获得更好的节能效果。由上所述,就产生了将以工频电源运转中的电动机切换到变频器上的必要性。
切换时,以前是在电动机装设传感器,从电动机切离工频电源到电动机残留电压衰减的数秒间,使电动机自由停车运转。然后使变频器的输出频率与旋转传感器精确检出的电动机旋转频率一致,再使变频器的输出电压由低电压逐渐增加到所定电压,以防止切换时的过大电流。
对于高功能化的节能用变频器,不必采用旋转传感器,根据自由停车中的电动机残留电压检出准确的旋转频率,可以实现平滑无冲击的从工频电源到变频器的切换,其特性实测如图2所示:
3变频器到工频电源的切换控制
将变频器运转中的电动机切换到工频电源上,从节电方面来看很有必要。作为切换方式,根据电动机特性、切换频度和对象系统的要求可考虑非同步切换和同步切换两种方式。
3.1非同步切换方式
电动机的容量有电气容量和机械容量之分。如果对象系统能够允许切换时的转矩变化,可用比电动机容量小的变频器进行下述的部分控制,将电动机加速到变频器容量时的转速,然后将电动机从变频器切离,在电动机残留电压衰减前的数秒间使它进行自由停车运转,然后投入工频电源。投入工频电源时,为了防止直接投入或投入时突然的大电流采用起动电抗器等。这种方式与加速到最高转速后进行切换的同步切换相比,有变频器容量小的优点,但切换到工频电源时有较大的电流,所采用时必须考虑切换频度、电动机容量、再投入时间、负载特性等。对于切换频度高的用途应用困难。
3.2同步切换方式
这种方式是将电动机用变频器加速到工业频率,再使变频器的输出与工频电网的频率及相位一致,确认后将电动机无冲击地由变频器切换到工频电网。与非同步方式相比变频器容量增大,与电动机容量相当,但投入工频电源时冲击电流小,适用于要求转矩冲击小的传动系统。
4部分控制
风扇、鼓风机等用变频器进行转速控制时,如前所述,轴功率与转速的立方成正比。因此,风扇、鼓风机以最高转速运行时采用工频电源直接传动,而采用变频器调速运行时,转速取最高转速的80%～90%以下,则可以减小变频器的容量。这种控制称为部分控制,变频器的容量可用下式概略计算。
PINV= k2×Pmax
式中:PINV——所需要的变频器容量,用与其相适应的电动机容量表示(kW);
K ——变频器运转时与最高转速的比;
Pmax——最高转速下电动机的输出功率(kW)。
但是,式中的K值极小,由于下述理由变频器容量不能大幅度降低。变频器容量(kV·A)最多减小到电动机容量(kW)左右。这是因为即使电动机输入电流在变频器额定电流以内,根据电动机的容量和负载条件,由于电动机漏抗的影响脉动电流值、峰值电流值是不相同的,而且越是大容量、轻负载,对于同一电动机输入电流的脉动值变大。
5减转矩负载用v/f 模式
风机、泵等减转矩负载,随着转速的降低负载转矩大体与转速的平方成比例的减小。对于节能用变频器,可以选用减转矩负载专用的v/f模式如图3所示。由于电压下降时使减转矩负载的电动机输入电流减小,与恒转矩负载用v/f模式相比,这种模式可以改善电机效率和变频器效率。
图4所示选用两种模式(恒转矩负载用和减转矩负载用v/f模式)时总效率的差别。
对于减转矩负载,用变频器传动标准电动机时,通常负载转矩比允许的连续运转转矩小,所以使用标准电动机在低速区多可不考虑冷却。
6瞬停再起动控制
对于电源的瞬时停电,多数通用变频器在瞬停补偿时间后切断变频器的输出,要进一步保持则采用晶体管等保护。因此复电后的再起动,要等待电动机转速停止后由外部给出再起动信号,以解除中断变频器的输出。但是,工厂作业上的重要设备的节能运转,运转系统的可靠性是重要关键,对于电源的瞬时停电或瞬时电压下降等需要继续运转。另外,对于无人的节能运转设备,当电源瞬时停电等异常情况发生时,为了继续运转需要补偿功能。
新的高功能化的节能用变频器,停电时不需停止电动机,采取下列机构复电时可以自动再起动,提高了节能运转系统的可靠性。(1)电源复电后,自动给出再起动信号,调整变频器到初期状态;(2)根据自由停车运转中的电动机残留电压检出电动机旋转频率,并且使变频器输出频率跟踪它(但是,通常像泵负载那样自由停车运转时间极短的场合,在停止前的自由运转中再起动是不可能的);(3)自由运转中的电动机残电压衰减后(通常为数秒),慢慢施加变频器的输出电压,使电动机接入变频器。
如上所述,使变频器的输出频率与电动机的转速一致,可以防止两者不一致时引起的过电流,并且能够自动地、平滑地恢复到原来的稳定运转状态,其动作概要示意图如图5所示:
7节能运行的具体应用举例
变频器的节能运转是从风机、泵等较大容量机械开始应用的,最近广泛普及,连家用空调压缩机传动也采用,下面介绍典型的应用。
在风扇、鼓风机等送风机中的应用。送风机可以按出口压力为基准进行分类。
出口压力133kPa(1000mmHg)以下为风扇。
出口压力1.33kPa(10mmHg)以下为鼓风机。
另外从工作原理上可分为涡轮式和容积式。轴功率与泵相同,都与转速的立方成正比。对于送风机,由于没有像泵类机械那样因高低差产生的损耗,改善运转模式就可节约大量功率。
许多设备的送风机有余量,或者根据工艺过程特性大部分时间以中低风量运转。对于这种设备,在运转时间长的中低风量区用变频器控制。在运转时间短的高风量区用以前的方式控制,则可以使用比电机容量小的变频器,而节能效果却同在全区域采用变频器控制时一样。
另外,间歇运转采用变频器控制也可以节能。送风机为大惯性负载,大容量电动机的频繁启动电流产生的电磁力等将使材料疲劳,所以在技术上是一个难题。对于这种设备可以采用变频器一工频电网切换控制方式,即用变频器从零加速到100%转速,在l00%转速下使变频器的输出电压同工频电网的相位、频率、电压一致后进行切换。采用这种方式,加速时电动机的转差频率可以被限制为很小,所以电源容量变小,起动时的损耗和电磁力也变小。另外,切换时变频器与工频电网为同步切换,因此冲击转矩小,可以频繁加减速。如果与挡板控制并用,当关闭挡板加速时送风机所需要的功率约减小一半,因而变频器的输出容量可以控制并用。
8结语
作为送风机的节能运转实例,除工厂设备以外,还有建筑物的空调、地下铁路的送排风、鸡舍等的风量调整、锅炉的排烟低氧控制等。氧气控制的要点,除采用引风机的转速控制节省功率外,还要控制烟道排烟中的氧气浓度,使其低到一定程度,以减少烟筒放出的热量,节省燃料费。
参考文献
[1] 张燕宾.电动机变频器调速图解[M].中国电力出版社,2003.
[2] 吴忠智,吴加林.变频器应用手册(第三版)[M].机械工业出版社,2007.
[3] 肖朋生,张文.变频器及其控制技术[M].机械工业出版社,2008.
作者简介:邓斌 (1978-),湖南常宁人,广东省工业高级技工学校助理讲师,维修电工高级技师,研究方向:电气自动化、可编程序控制。