王 希

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

淺析水泥行業(yè)供配電系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

王 希

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

文中介紹了智能變頻調(diào)速器及自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用的主要前景以及變頻器的主要技術(shù)原理。

智能變頻調(diào)速技術(shù)；自動(dòng)無功補(bǔ)償技術(shù)

0 引 言

水泥生產(chǎn)的電機(jī)系統(tǒng)，一般情況下，電機(jī)的負(fù)載都是按照最大負(fù)荷的1.1～1.3倍來設(shè)計(jì)的，因?yàn)榭紤]到在極端不利情況下滿足系統(tǒng)正常工作的需要，比如電壓偏低、氣候惡劣、工質(zhì)變化、設(shè)備老化等，這在實(shí)際運(yùn)行中就造成了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，這種情況下系統(tǒng)的效率是不高的，即對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)所做的有用功來說，消耗的電能要多一些，這是普遍存在的浪費(fèi)電能的根源之一，約有55%的電機(jī)在低于設(shè)計(jì)額定負(fù)荷60%的狀態(tài)下運(yùn)行，用電設(shè)備頻繁輕載運(yùn)行和空載運(yùn)行；許多風(fēng)機(jī)采用機(jī)械節(jié)流方式調(diào)節(jié)，效率比調(diào)速方式約低30%；電氣設(shè)備低效率運(yùn)行所帶來的電網(wǎng)損耗增加，電壓品質(zhì)降低，設(shè)備老化加速。由于礦井地處偏僻，輸電距離長(zhǎng)，區(qū)域變電站、變電所的長(zhǎng)期功率因數(shù)偏低，據(jù)統(tǒng)計(jì)輸配電損失高達(dá)20%。上述因素造成大量的能源浪費(fèi)，節(jié)能改造迫在眉睫。

智能變頻調(diào)速技術(shù)和自動(dòng)無功補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代水泥企業(yè)節(jié)能改造的一個(gè)主要發(fā)展方向，可有效改善現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行工況、提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用效率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，具有卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果。

大大減少溫室氣體排放，對(duì)維護(hù)我國(guó)能源安全、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)我國(guó)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的跨越式和可持續(xù)發(fā)展、提高我國(guó)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

1 節(jié)能潛力

截止2008年底，我國(guó)電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量為12億kW以上，其系統(tǒng)用電量約占全國(guó)用電量的60%，年耗電約2.06萬億kWh，折合標(biāo)煤7.21億t。我國(guó)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率比國(guó)外先進(jìn)水平低25%～30%，且在使用壽命、可靠性、材料消耗、噪聲及振動(dòng)方面都有很大差距。如果能改造現(xiàn)有電機(jī)系統(tǒng)的一半，使之平均提高運(yùn)行效率25%，綜合節(jié)能率至少可達(dá)到30%以上，年可節(jié)約用電2 575億ksWh，折合標(biāo)煤9 012萬t，節(jié)能潛力巨大。

2 變頻器的主要原理

變頻器是利用交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速n隨電源頻率變化而變化的特性，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行的裝置。在交流異步電動(dòng)機(jī)的眾多調(diào)速方法中,變頻調(diào)速的性能最好,調(diào)速范圍大,靜態(tài)特性好,運(yùn)行效率高,使用方便,可靠性高且經(jīng)濟(jì)效益好。

2.1 變頻調(diào)速的基本控制方式

異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為:

n1= 60f1/P

(1)

式中：n1為同步轉(zhuǎn)速；f1為定子頻率；P為磁極對(duì)數(shù)。

異步電動(dòng)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速為：

n=n1(1-S) = 60f1(1-S)/P

式中：S為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

由此可見,改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率,可以改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。變頻調(diào)速的特點(diǎn)是效率高，沒有因調(diào)速帶來的附加轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速的范圍大、精度高、無級(jí)調(diào)速。容易實(shí)現(xiàn)直接控制和閉環(huán)控制，它既保持了原電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果，是節(jié)能的較理想的方法。

2.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu)

為減小變頻器的體積，現(xiàn)代變頻調(diào)速器普遍采用智能化功率模塊(IPM)。智能化功率模塊是將變頻器的三相主電路(包括整流器部分、逆變器部分和制動(dòng)電路部分)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 驅(qū)動(dòng)電路、部分檢測(cè)電路和保護(hù)電路(包括過電流、過電壓、過熱等)集成在一個(gè)模塊中。用戶使用時(shí)，只需設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路和電源，再配以適當(dāng)?shù)臑V波電容，即可構(gòu)成一臺(tái)變頻器。為了改善變頻調(diào)速器的控制性能，目前已廣泛采用了32位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 集成芯片，縮短了變頻器的采樣時(shí)間、提高了控制性能。

圖1

2.3 其它調(diào)速方式的比較

串級(jí)調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)是可以回收轉(zhuǎn)差功率，所以調(diào)速效率比較高、但存在的問題也很多：不適合于鼠籠型異步電機(jī)，必須更換電機(jī)；不能實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，啟動(dòng)過程非常復(fù)雜；啟動(dòng)電流大；調(diào)速范圍有限；響應(yīng)慢，不易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；功率因數(shù)和效率低，并隨轉(zhuǎn)速的調(diào)低急劇下降；很難實(shí)現(xiàn)同PLC、DCS等控制系統(tǒng)的配合，對(duì)提高裝置的整體自動(dòng)化程度和實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制無益；同時(shí)因控制裝置比較復(fù)雜、諧波污染大對(duì)電網(wǎng)有較大干擾；進(jìn)一步限制了它的使用，屬落后技術(shù)。

液力耦合器調(diào)速：屬低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，高速丟轉(zhuǎn)約5%～10%，低速轉(zhuǎn)差損耗大,最高可達(dá)額定功率的15%,因效率與速度成正比，低速時(shí)效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢，啟動(dòng)電流大，裝置大，必須加裝在設(shè)備與電機(jī)之間，不適合改造；無法軟啟動(dòng)，耦合器故障時(shí)，無法切換運(yùn)行，維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用大，不能滿足提高裝置整體自動(dòng)化水平的需要。

3 智能變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)等機(jī)械裝置的應(yīng)用

目前所有通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)中，采用智能變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)等機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)速來控制流量節(jié)電效果最為顯著，通過變頻調(diào)速，可根據(jù)風(fēng)量的多少改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而降低電機(jī)運(yùn)行功率，達(dá)到節(jié)約電量的目的。同時(shí)可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少事故停機(jī)時(shí)間，提高通風(fēng)能力。

試驗(yàn)比選了不同風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的功率消耗情況。由圖可見，變頻調(diào)速法在現(xiàn)有的幾種風(fēng)量調(diào)節(jié)方法中是最理想、最有效、最節(jié)能的調(diào)節(jié)方法，相對(duì)于現(xiàn)用的擋板法，節(jié)能空間較大。

1.擋板法；2.前導(dǎo)器法；3.液力耦合器；4.繞線電動(dòng)機(jī)切換轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速法；5.變頻調(diào)速法圖2 不同風(fēng)量調(diào)節(jié)方法功率消耗曲線

4 結(jié)束語

水泥企業(yè)是重點(diǎn)用能單位，近年來突飛猛進(jìn)的節(jié)能技術(shù)的為生產(chǎn)企業(yè)發(fā)掘了較大的節(jié)能空間。通過在對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)及供配電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)上使用智能變頻調(diào)速器及自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置，可大大優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和控制，提高電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率，提高能源利用率，做到既保證現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，又大大改善現(xiàn)有工藝水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的，不僅降低了產(chǎn)品成本、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，還有助于企業(yè)履行節(jié)能環(huán)保的社會(huì)責(zé)任，提升企業(yè)品牌形象，獲得更為廣闊的發(fā)展空間。

[1] 史頌平，梁春生，智 勇. 變頻調(diào)速智能控制節(jié)能技術(shù). 貴州科技出版社，20120(6).

[2] 張雨成.論變頻調(diào)速技術(shù)在水泥行業(yè)中的應(yīng)用. 甘肅科技, 2007(11).

[3] 馮求國(guó).無功補(bǔ)償在水泥企業(yè)中的應(yīng)用. 中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng), 2006(5).

[4] 諸俊偉.電力系統(tǒng)分析[M]. 北京：水利電力出版社, 1995.

[5] 王慶林.無功功率快速自動(dòng)補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)探究[J]. 電力電容器, 1993(2).

[6] 米 勒.電力系統(tǒng)無功功率控制[J]. 水利電力出版社, 1990.

Energy Saving Technology for Power Supply and Distribution System in Cement Industry

WANG Xi

(Evergy Conservation Service Center of Heilongjiang Province, Harbin 150001, China.)

This article introduces the main principles of intelligent inverter and automatic reactive power compensation device applications and drive major prospects.

Intelligent frequency control technology; Automatic reactive power compensation

2015-06-21

2015-07-10

王希(1983-)，男，畢業(yè)黑龍江科技學(xué)院，計(jì)算機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事節(jié)能方面研究與測(cè)試工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.011

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