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        用于風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行分析

        2011-12-20 03:49:24李振中劉強(qiáng)曹厚繼
        城市建設(shè)理論研究 2011年23期
        關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速節(jié)能效率

        李振中 劉強(qiáng) 曹厚繼

        摘要:目前應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速的各種方法中效率最高的是變頻調(diào)速,但它還沒有使拖動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵的異步電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到最高。為實(shí)現(xiàn)普通壓頻比恒定的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行,本文分析了在保持頻率不變的情況下,如何通過調(diào)節(jié)輸入電壓,使異步電動(dòng)機(jī)的效率達(dá)到最高的調(diào)節(jié)方法。

        關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速 效率 節(jié)能

        1 前言

        據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械設(shè)備每年耗電量占全國(guó)發(fā)電量的百分之三十以上。由此可見,變頻器用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)合可以取得顯著的節(jié)電效果。從最佳經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能角度來看,降低帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載電機(jī)運(yùn)行中的功率損耗,提高整個(gè)系統(tǒng)效率是非常必要的。

        2電機(jī)運(yùn)行中定頻降壓節(jié)約電能的可行性

        根據(jù)電機(jī)學(xué)知道,假設(shè)施于電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓被降低,則電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)和磁通隨之減小,鐵耗將下降。同時(shí),因這時(shí)隨電壓平方而變化的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率增加,直到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡為止。轉(zhuǎn)差率的增加引起轉(zhuǎn)子電流增加,且使轉(zhuǎn)子電流與定子電壓間的相角也要增大。因而,當(dāng)電壓降低時(shí),雖電動(dòng)機(jī)的無載電流會(huì)減小,可是等于轉(zhuǎn)子電流與無載電流幾何和的定子電流,隨著電壓降低程度和負(fù)載的不同,可能增加或減少。

        然而,對(duì)于輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī),電壓適當(dāng)降低一些,在經(jīng)濟(jì)上常常是有利的。這是因?yàn)樵谳p載運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子電流并不大,在降低電壓運(yùn)行時(shí),不僅不會(huì)超過允許值,而且增加的數(shù)值并不多;而另一方面卻由于電壓的降低,空載電流和鐵耗均隨之減低,所以這時(shí)的定子電流比正常電壓時(shí)的值,不僅不會(huì)增加,可能還會(huì)降低。在這種情況下,電動(dòng)機(jī)的總損耗就可降低,效率可以提高,定子溫升和功率因數(shù)還可得到改善。

        3 風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)定頻降壓節(jié)能算法

        異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的損耗包括:銅損、鐵損、機(jī)械損耗、雜散損耗等。其中,機(jī)械損耗和雜散損耗因較小,且不易計(jì)算,通??梢院雎圆挥?jì),因此,考慮電機(jī)鐵耗和銅耗之和,可代表電機(jī)總的損耗。

        由于異步電動(dòng)機(jī)的漏阻抗比勵(lì)磁阻抗小得多,通常可以忽略勵(lì)磁阻抗,認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流等于定子電流,所以電動(dòng)機(jī)的銅耗和電流的平方成正比,即

        (1)

        式中 、 ——電機(jī)在額定頻率額定狀態(tài)的電流和銅耗;

        、 ——電機(jī)在任意頻率同一負(fù)載的電流和銅耗。

        根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)可知,在額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩 和實(shí)際狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩 分別為:

        (2)

        (3)

        式中 、 、 ——電機(jī)相數(shù)、級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)子電阻折算值;

        、 ——任意狀態(tài)和額定狀態(tài)下電機(jī)定子側(cè)的電源電壓;

        、 ——任意狀態(tài)和額定狀態(tài)下電機(jī)定子側(cè)的電源頻率。

        、 ——任意狀態(tài)和額定狀態(tài)下電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

        風(fēng)機(jī)類負(fù)載的性質(zhì)是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比,而

        (4)

        所以: (5)

        由式(2)、式(3)和式(5)可得,在調(diào)速系統(tǒng)中其電壓調(diào)節(jié)系數(shù) 和頻率調(diào)節(jié)系數(shù) 之間的協(xié)調(diào)控制關(guān)系為

        (6)

        ――電壓調(diào)節(jié)系數(shù);

        ――頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。

        由電機(jī)學(xué)可知,異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的折算值

        (7)

        式中X——短路電抗。

        在調(diào)頻調(diào)速的前提下,電機(jī)運(yùn)行過程中的S很小, ,故可把X忽略,則頻率 時(shí)的電流

        (8)

        額定頻率時(shí)的電流

        (9)

        再將式(6)代入式(8)、式(9),則得

        (10)

        由式(10)和式(1),最后可得銅耗與電壓調(diào)節(jié)及頻率調(diào)節(jié)的函數(shù)關(guān)系為:

        (11)

        由電機(jī)設(shè)計(jì)理論可知,電機(jī)鐵耗正比于磁密的平方,并和頻率的1.5次方成正比,故有

        (12)

        式中 ——某一頻率下的鐵耗;

        ——額定頻率下的鐵耗。

        由于電機(jī)端電壓近似正比于磁通和頻率的乘積,則

        (13)

        由式(12)和式(13),可得

        (14)

        設(shè)電機(jī)在額定電壓、額定頻率和額定負(fù)載下的銅耗與鐵耗的比值為 ;在額定電壓、額定頻率、實(shí)際負(fù)載的銅耗與鐵耗的比值為 。由于電機(jī)鐵耗由磁密及電源頻率決定,所以電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下運(yùn)行時(shí),鐵耗基本不變。對(duì)于電機(jī)來說, 轉(zhuǎn)矩 ,所以轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)子電流 成正比。再由式(1)可知, 和 的關(guān)系如下

        (15)

        轉(zhuǎn)矩之比可視為功率之比,式(15)可改寫

        (16)

        式中, ——實(shí)際負(fù)載功率和額定功率之比,或稱為負(fù)載系數(shù) 。

        在任意電壓和頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)電機(jī)總損耗為

        (17)

        將式(11)、式(14)和式(16)代入式(17)可得:

        (18)

        對(duì)電壓調(diào)節(jié)系數(shù) 求導(dǎo),并令 ,可得定頻降壓控制的電壓和頻率協(xié)調(diào)關(guān)系,即

        (19)

        式(19)即是損耗最小的調(diào)節(jié)控制方式,這種控制方式是按實(shí)際銅耗和鐵耗相等是損耗最小的原則匹配的。在給定電機(jī)的設(shè)計(jì)值 ( =1.2~2.0)和一定的負(fù)載系數(shù) 情況下,可求得定頻降壓控制時(shí)的電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制關(guān)系。

        應(yīng)用定頻降壓控制進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知:

        (20)

        為了避免磁路飽和,式(19)規(guī)定的控制方式應(yīng)該滿足 (與恒壓頻比調(diào)速控制方式相比,這種控制方式在恒壓頻比調(diào)速控制方式頻率不變的基礎(chǔ)上降低了電壓,這就是這種控制方式名稱的由來),即 ,所以有

        (21)

        分析式(21)可知,當(dāng)電機(jī)在額定電壓和滿負(fù)荷條件下按定頻降壓的控制方式運(yùn)行時(shí),電機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速上磁路可能已飽和。

        在應(yīng)用定頻降壓控制方式時(shí),為了獲得較高的效率,最好降低負(fù)載系數(shù),即 。這樣雖然電機(jī)容量利用不足,但運(yùn)行中損耗降低,對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的電機(jī)來說,在經(jīng)濟(jì)上是有益的。如果配套機(jī)械負(fù)載使電機(jī)負(fù)載系數(shù) 的條件難以改變,可在由式(21)確定的頻率以下范圍內(nèi)用最小損耗控制,在該頻率以上采用 控制。

        最后我們來計(jì)算一下在最惡劣的條件下 所能達(dá)到的最大值。所謂最惡劣的條件,指 和 同時(shí)存在的情況,此時(shí) 的值為最小值 ,經(jīng)計(jì)算 。此值完全滿足目前的交-交變頻技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。

        4結(jié)論

        本文分析了風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)定頻調(diào)壓節(jié)能一種算法,并分析電壓和頻率協(xié)調(diào)控制的問題。對(duì)提高變頻器使用的節(jié)能效果、進(jìn)一步推廣變頻器節(jié)能新技術(shù)起到極大的推動(dòng)作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]黎英,時(shí)維國(guó).變頻調(diào)速電機(jī)的運(yùn)行效率及節(jié)

        能控制研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化P21-P25,1985(2).

        [2]劉競(jìng)成.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].上海:上海交通大

        學(xué)出版社,1985.12

        [3]楊惠宗,袁仲文,陸火慶.泵與風(fēng)機(jī)[M].上海:

        上海交通出版社,1992

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