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高压变极调速电机系统与高压变频器调速之比较

2009/08/17 变频器

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  变频调速技术已在国民经济很多领域得到推广和应用,其节能效果也得到了大多数人的认可。由交流异步电动机的转速公式n=60f/p×(1-s)可知,当电机极对数一定,转差率变化不大时其转速n与电源频率f成正比,而变频器的功能就是根据电机负荷的变化而改变电源频率,从而达到调速的目的,进而使电机的出力随负荷的变化而变化实现节能降耗。其节能效果在离心机械(泵和风机)的拖动中尤为突出。因为风机在设计选型时,其最大送风量多半要增加一个安全系数,一般选用1.2左右,也就是说工业用风量即使是计算值的最大用风量,也仅是风机最大送风量的1/1.2=0.833,而1-0.833=0.167的风量由风门挡板消耗掉从而造成很大的能量浪费。如果采用变频器改变电机的转速,使风机的送风量正好是实际用风量,则风门挡板全打开,就避免电能的白白浪费。

  由此可见,用改变电源频率的方法达到节电的目的是非常成功的。现在从小到家用电器(空调、冰箱),大到工业用泵和风机都在用变频调速技术进行节电降耗,应该说这是很可喜的现象,也是应该肯定的。但是,变频调速技术在工业上的推广应用仍存在一些问题,值得我们严重关切。特别是高压大功率变频器的应用更应引起我们注意。而这些问题的客观存在也必然影响到高压变频器的推广应用。高电压(6kV或10kV)变频器应用中以下几个问题值得重视:

  1) 高压变频器价格普遍偏高。投入运行后,一般需要3年左右才能用节能效益将投资收回,一般企业难以承受。

  2) 高压变频器属于高技术产品,对使用维护人员有着较高的技术要求。一般电工对高压变频器进行操作维护难度较大。

  3) 高压变频器是由电力电子元件所构成,一般情况下可正常运行3~5年。而3~5年之后,有些元器件行将先后寿终正寝,高压变频器故障必然频繁发生,甚至使整个系统无法正常工作。企业为应付变频器的维修将付出很大的代价。作为企业来说,一个高价购入的发生故障的设备弃之可惜,修之太贵,实在头疼。

  4) 高压变频器的运行,必然产生高次谐波,虽然有些高档变频器已采取了抑止谐波的措施,但其价格必然更贵。对一般常用变频器而言则高次谐波的产生不可避免,为保证低压电器的正常工作,就必须对谐波进行治理。往往用于治理谐波的费用比购入变频器的投入还要高,使企业难以承受。

  5) 对于一个企业的变电站来说,其容量都是有限的。变频器的用电量绝对不能超过厂用变电站容量的30%。若超过,则其所产生谐波将非常严重,它除了增加线路损耗外,更会使全厂的低压用电设备(例如电脑等)不能正常工作,甚至烧毁。同时电机的绝缘层也会受到一定的损伤。

  由于以上问题的客观存在,高压变频器的推广应用就受到了一定制约。但节能减排的现实又要求我们采取其他措施将泵和风机的能耗降下来。为解决这个问题,必须提出确实可行的替代方案。

  对于感应电动机的调速,除了变频调速外,还有很多方案可供选用,诸如变极调速、调压调速、串极调速、内反馈调速等。用户可根据泵和风机负荷的具体情况进行选择,但其中采用高压近极比双速电动机则应为可优先考虑的调速方案。

  从公式n=60f/p×(1-s)可知,若电源频率f转差率s不变,则改变电机的极对数即可改变电机的转速。而泵和风机的风量与其转速一次方成正比变化,而风压的变化同转速的平方成比例,轴功率又随电机转速的三次方变化,即Q2/Q1=n2/n1,H2/H1=(n2/n1)2,P2/P1=(n2/n1)3。例如对于10极(n1=600r/min)1000kw电机来说,则12极(n2=500)时风机的风量Q2/Q1=500/600=0.833,而风压变化H2/H1=(500/600)2=0.69,风机轴功率变化P2/P1=0.8333=0.578,若工业用风量仅是风机高速(n1=600r/min)时最大风量的0.833,则电机可转入低速运行,将风门全部打开。此时电机的输出功率为P2=1000×0.578=578kw,比电机高速运行时节电1000-578=422kw左右;若工业用风量减少,可调风门挡板开度来满足要求,其节电量仍是422kw左右。如果工业用风量为0.83维持不变则电机一直低速(n1=500r/min)运行,若用风量大于0.83,电机可切换到高速(n1=600r/min)运行。

  选用高压近极比双速电机方案虽然节能效果比变频调速方案节电效果可能低一些,但双速电机价格低,变频器所存在的问题双速电机都不存在。虽然如此,但高压双速电机为什么未能推广使用呢?主要是高压双速电机在技术方案上还不完善,还未真正形成产品。媒体也有对现有电机进行双速改造的报道,并且取得了一些节能效果,但技术上还不完善,定子绕组需引出多个引出线进行停机切换。一般需要3~7个三相开关,不能进行遥控集中管理,操作复杂,容易出错。倍极比(如4/8极比)高压双速电机曾有报道,但由于电机速比太大而实际应用意义不大。

  由武汉金路达电机有限公司研制开发的新型高压单绕组近极比双速电机解决了高压大型双速电机所存在的一系列问题并且形成产品,其主要特点是:

  1、新型高压近极比双速电机同原用的单速电机的机座号完全相同,原来的所有控制系统都原样保留,仅将原单速电机换为双速电机即可。新电机除留原用电机的转速(高速)外,还可切换为低速运行。

  2、在两种工作速度下,确保电机效率均在94%以上,功率因数均在0.85以上,使电机高、低速运行时均保持高效率,达到电机本身节能的要求。

  3、新型高压近极比双速电机的起动性能好,对电网冲击小,起动电流是电机额定电流的3~4倍,起动转矩是额定转矩的1.2~1.6倍,电机动态切换时,切换电流是额定电流1.2倍左右。

  4、电机控制系统简单,仅用两只三相真空开关即可完成高/低速动态在线切换,并可进行遥控集中操作。

  5、绕组接线图、控制柜接线图

  6、新型高压双速电机可以适用于6极以下的各种近极比工况如:如6/8、8/10、10/12、12/14等。他们所拖动的风机低速时对应的风量为高速时风量的0.75、0.8、0.83、0.857。凡是用风量等于上述风量时,风门可全部打开,小于上述风量的均可用原有的风门挡板进行调节,对应的节电率分别为0.578、0.488、0.422、0.371。若工业用风量大于低速时的最大供风量,可将电机切换到高速运行并用风门调节。根据用户的要求,也可制造成4速电机,如:6/8/10/12。用于自来水公司的供水系统,水泵可根据供水网水压的变化而自动进行转速切换达到节电目的。新型高压双速电机也可设计为远极比,例如4/40、6/60等,典型的应用如炼铁高炉除尘风机。高炉出铁时风机高速运行,应以最大风量除尘,而高炉炼铁时除尘风机应基本处于待速状态运行;此时电机可切换到最低转速,高炉再出铁时风机又自动切换为高速运行,满足除尘要求,从而达到节电目的(其节电率可达50%左右)。若选用单速电机则在炼铁时风机仍大风量工作,必然造成能源浪费。

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