电动风机和水泵的变频调速节能研究

原创 2020-07-22 01:05  阅读

  “数字农业”是在农业领域实现计算机技术,地学空间技术,网络通讯技术和电子工程技术等信息技术;实现农业办公自动化,农业数据信息获取自动化和标准化,农业设施运行智能化与机电一体化等。“数字农业”和“绿色农业”是建设现代化农业的必然选择[1]。我国是目前世界上产值、能耗高的国家之一,农村的能源利用效率较低,在农业领域开展农业机械的节能研究,建立“节约型新农村”是一项长期而紧迫的任务。农用风机和水泵是主要的电能消耗设备,本文以农业机械中水泵、风机的流量调节为例,研究感应电动机变频调速的节电技术。所谓变频调速是将电动机的驱动电源由三相工频(50Hz)交流电(或任意电源)变换成三相(或单相)电压可调、频率可调的交流电来改变电动机的转速[2]。

  近年来,交流调速技术在风机、水泵类负载领域得到了一定的推广应用,电压在380 V以下的低压变频器已大量使用;在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的V辕f控制,采用矢量控制技术的变频器应用较少,品种与质量不能满足市场需求,每年需要进口。在大功率交交变频、无换向器电机等变频技术方面,国内只有少数科研单位有能力制造。大多数的变频调速装置采用晶闸管交交变频调速,制造成本较高,装置可靠性差, 对电网污染严重,功率因数低、无功损耗大。同时变频器的整机技术落后,国内虽有单位投入一定的人力、物力,但由于力量分散,并没有形成一定的技术和生产规模。有些地方还使用晶闸管直流电机调速,尽管此类系统制造技术成熟,但技术水平和效率低下,难以普及发展。变频调速技术依托于电力电子技术的发展,变频器所用半导体功率器件,国内生产几乎是空白。国外高电压、大电流晶闸管、大功率三极管、场效应管、GTO(Gate Turn-off Thyristor,门极可关断晶闸管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)、IGCT(Integraed Gate Conmmutated,集成门极换流晶闸管)以及IPM(Intelligent Power Module,智能功率模块)等器件的生产,以及电子器件并、串联技术的发展,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实,大大促进了变频调速技术的发展[3]。

  我国变频调速技术与工业发达国家相比还相当落后,日本、德国和法国对高性能大容量的变频调速系统的研究和应用非常重视,一直处于世界领先地位。不仅在农业应用领域,在电力机车、船舶等其他行业也走在前列。法国阿尔斯通公司已能提供单机容量达30 000 kW 的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面,ABB公司提供了单机容量为60 000 kW的设备用于抽水蓄能电站;在中功率变频调速技术方面,德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10耀2 600 kVA,其控制系统已实现全数字化,广泛用于电力机车、风机和水泵驱动等领域[4] [5]。

  水泵(或风机)的流量调节主要有三种方法。一种是采用传统机械方法,水泵和风机一旦开始工作,电机便以额定转速运行,以额定量供水和供风,当水量或风量需要减少或增加时,通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节供水量和供风量,电机输出功率大量的消耗在挡板或阀门的截流过程中,浪费了大量电能。另一种方式是采用电磁转差离合器或

  液压耦合器调节风机、水泵的转速(电动机恒速运转),电机消耗的能量不变,仅改变传动比,多余的能量也以其他能量形式消耗掉[6]。第三种调节方式是通过改变电动机的转速来控制水(或风)流量,此种方法能根据用水量(风量)减少或增加来调节水泵转速,无多余能量损耗,是目前最有效的节能调节方式之一。电机调速主要分直流调速和交流调,直流调速系统是用直流电驱动直流电动机,分为单闭环、多

  环调速和可逆直流调速,通过改变直流电动机的电枢电压、励磁磁通或电枢回路总电阻来调节电机转速以实现流量调节。交流调速可分为调压调速、双馈电机调速、串级调速、变极调速和开关磁阻电动机调速等。变频调速是交流调速方法之一,是用变频、变压的交流电驱动交流电机,其控制方法可分为标量控制、直接转矩控制、矩阵式变频、矢量控制调速等方式[7]。

  对异步电机进行调速控制时,保持电机的主磁通恒定值不变,通过改变异步电机的供电频率,改变其同步转速,实现调速运行。水泵和风机是一种平方转矩负载,其转矩(T)特性为

  变频器提供给电动机的电压U随频率的平方成正比降低,故可大幅度减少功耗,节电率高达30%~60%以上[4] [8]。电动机转速n与流量q、扬程h及轴功率Pq的关系如式(5)、(6)、(7)所示。

  水泵的流量与其转速成正比,水泵的扬程与其转速的平方成正比,水泵的轴功率与其转速的立方成正比。由以上公式可以看出,在环境气压、气温等参数不变的情况下,当转速减少50豫时,流量减少50豫,扬程减少75豫,功率消耗减少87.5%,节能效果非常显著[4] [6]。

  若采用在水流吸入侧加挡板调节流量,电机运行于额定转速,在不同流量q 时,电机轴功率Pq 与额定功率Pe 和额定流量qe有下列经验公式

  离心风机(水泵)的风压(扬程)h风量(流量)q曲线所示。正常工作时,工况点为A,其流量压力分别为q1、h1,此时风机水泵所需的功率正比于Ah1Oq1的面积。当要求减小风量(流量)到q2,实际上通过调节(减小)挡板开度增加管网管阻(R1寅R2),使风机水泵的工作点移到B 点,风压(水压)增大,这时风机水泵所需的功率正比于Bh2Oq2的面积,显然风机水泵所需的功率增大了[8]。这种调节方式控制简单,但功率损耗大,不利于节能,是以高运行成本换取简单控制方式。若采用变频调速,风机水泵转速由n1下降到n2,这时工作点由A 点移到C点,流量仍是q2,压力由h1降到h3,这时变频调速后风机(水泵)所需的功率正比于Ch3Oq2的面积,由图1可见功率的减少是明显的[9]。

  采用变频调速技术后,变频器可根据实际需要改变电机转速来调节水流量,使水泵实际负载与流量在任何工作阶段均能保持一致或根据流量要求变化,保证电机在整个负载变化范围内平稳、精确地运行,彻底消除溢流或流量不够现象,能量消耗达到所需的最小程度,实现节能目的[10]。

  这是一种最简单的控制方法,操作人员根据实际的需要,手动调节变频器的频率设定值和输出电压,以改变风量或流量。一般可分为电压/频率控制和转差频率控制两种方式,其主要调节原理是

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