郭正陽

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032)

隨著煤礦生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，對(duì)電能的需求越來越大，煤礦在使用機(jī)電設(shè)備的同時(shí)對(duì)能源的浪費(fèi)也日趨嚴(yán)重。礦山生產(chǎn)過程中，異步電動(dòng)機(jī)是提供生產(chǎn)動(dòng)力的主要機(jī)械，但其電能損耗十分巨大，且在實(shí)際使用過程中并沒有完全使用電動(dòng)機(jī)應(yīng)有的輸出功率，使用時(shí)大部分時(shí)間電動(dòng)機(jī)處于輕載或空載狀態(tài)[1]，即使負(fù)載發(fā)生改變，其變化對(duì)于電動(dòng)機(jī)恒定速度幾乎不產(chǎn)生影響[2-3]，這導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)的能源使用效率十分低下。如礦用風(fēng)機(jī)使用過程中，電動(dòng)機(jī)的平均輸出功率與最高輸出功率的比值通常在0.3～0.4之間，且風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也會(huì)影響設(shè)備整體的使用效率[4]。為了減少電能的損失，提高電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)的使用效率，相關(guān)學(xué)者做了研究：李晶[5]使用電容補(bǔ)償?shù)姆椒ò淹獠抗╇娋€路的損耗在一定范圍內(nèi)降低，該方法可以降低外部線路的損耗，但不能涉及內(nèi)部線路的用電情況；徐春華等[6]改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，包括使用節(jié)能材料構(gòu)建電動(dòng)機(jī)框架等，從一些特殊的結(jié)構(gòu)出發(fā)，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果，但也存在一些缺點(diǎn)，不能滿足一些特殊工作環(huán)境的要求。

本文主要對(duì)調(diào)速節(jié)能的方法進(jìn)行研究，該方法能滿足礦山生產(chǎn)過程中的實(shí)際需求。從交流變頻調(diào)速的工作原理出發(fā)對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速原理進(jìn)行分析，得出頻率變化對(duì)于電機(jī)效率的影響。

1 交流變頻調(diào)速的工作原理

根據(jù)機(jī)電理論分析，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為式(5)所示：

(1)

式中：p表為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率；f1為定子供電頻率。

由式(1)可以得出：對(duì)于電源頻率的改變可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和負(fù)載能力不僅是其使用效率提高的最終影響因素，還需要保證每極磁通保持一個(gè)恒定的值。

當(dāng)生產(chǎn)使用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)選定時(shí)，其使用參數(shù)便被固定，如果想在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)磁通的合理控制，需要通過控制定子供電頻率與定子各相電動(dòng)勢(shì)的有效值來實(shí)現(xiàn)。其中定子各相電動(dòng)勢(shì)的有效值由下式表示：

E1=4.44f1W1K1Φm

(2)

式中：W1為定子每相串聯(lián)的匝數(shù)；K1為基波繞組系數(shù)；Φm為磁通量。

由式(2)可以看出：要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)控需要對(duì)電機(jī)的電壓與供電頻率進(jìn)行統(tǒng)一考慮，只有綜合考慮兩種情況才能達(dá)到期望的控制效果。

2 變頻對(duì)電機(jī)效率的影響

對(duì)于需要變速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)，要在考慮其風(fēng)機(jī)變頻原理的基礎(chǔ)上，分析電動(dòng)機(jī)在變頻前后效率的改變，得出電動(dòng)機(jī)變頻對(duì)其效率變化的影響程度。

2.1 風(fēng)機(jī)變頻原理

風(fēng)機(jī)變頻后根據(jù)其比例定律[3]：

(3)

式中：Q1、Q2為風(fēng)機(jī)變頻前后的輸出流量；H1、H2為風(fēng)機(jī)的壓力；P1、P2為風(fēng)機(jī)軸功率；n1、n2為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

由式(3)可知：當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，風(fēng)機(jī)的壓力H、軸功率P、以及風(fēng)量Q都會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)降低其轉(zhuǎn)速時(shí)，可以達(dá)到提升效率的效果。

2.2 變頻對(duì)電機(jī)效率影響

當(dāng)所需的風(fēng)量一定時(shí)，通過變頻調(diào)控時(shí)的分級(jí)額定風(fēng)量QN和額定轉(zhuǎn)速nN的值確定得出實(shí)際轉(zhuǎn)速n的大小，且額定風(fēng)量與實(shí)際轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，額定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。

由于轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)控制頻率，當(dāng)發(fā)生頻率變化時(shí)，忽略其變頻器的諧波干擾，可以得出電動(dòng)機(jī)的等效電路圖1。

圖1 變頻電機(jī)等效電路

假設(shè)電機(jī)的輸出與輸入功率為P1,P2電動(dòng)機(jī)效率為：

(4)

式(4)中存在四種損耗的表達(dá)，但上述四種損耗都是以假設(shè)變頻器的諧波對(duì)頻率無影響的前提下考慮的，在實(shí)際生產(chǎn)使用中，諧波的存在會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的能量損耗產(chǎn)生復(fù)雜的影響。為了對(duì)上述公式有一個(gè)較為合理的計(jì)算，將諧波對(duì)公式的影響折算成影響系數(shù)，其影響對(duì)于電動(dòng)機(jī)計(jì)算總能耗時(shí)增加約30%，對(duì)于使用效率的降低約為1%～3%，此外，對(duì)于變頻之后的轉(zhuǎn)速判定時(shí)，需要重視頻率范圍對(duì)于轉(zhuǎn)速的限制，如果轉(zhuǎn)速差值太大，會(huì)導(dǎo)致比例定律的誤差較大，所以比例定律一般在60%～80%的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)取值[7]。根據(jù)假定的風(fēng)量取值Q，可以計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗值，則變頻后整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗可以如式(5)所示：

(5)

式中：ηm,ηv,η分別表示變頻電機(jī)的效率、變頻器效率和系統(tǒng)中其他組成部件的使用效率。

3 計(jì)算分析

在礦山生產(chǎn)過程中常使用電機(jī)的型號(hào)為YRKK630-6，其額定功率為1 000 kW，在電動(dòng)機(jī)中常用的變頻器的額定功率可以達(dá)到94%～97%。由式(5)系統(tǒng)的能量消耗公式得出不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的變頻器變頻效率的變化情況，如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的變頻效率

由表1可以看出，在相同的轉(zhuǎn)矩下，隨著轉(zhuǎn)速的提高變頻器的變頻效率也隨之提高；而在轉(zhuǎn)速相同的情況下，隨著轉(zhuǎn)矩的提高，由變頻而改變的效率也隨之提高。其中變頻效率達(dá)到最高值的時(shí)候在96%～97%之間，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)矩60%，轉(zhuǎn)速100%；最低值時(shí)在74%～85%之間，轉(zhuǎn)速為20%，轉(zhuǎn)矩也為20%?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速取較大的數(shù)值，變頻器使用效率的提高越明顯。

根據(jù)式(4)的電動(dòng)機(jī)效率的計(jì)算公式可以得出電機(jī)的實(shí)際使用效率與變頻頻率之間的關(guān)系，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 隨頻率變化的電動(dòng)機(jī)效率變化

由圖2分析可得：電動(dòng)機(jī)的效率隨著頻率的上升而上升，且15～40 Hz之間效率上升的幅度較大；在15 Hz之前效率隨頻率的變化幅度較小。且在30 Hz時(shí)隨著頻率上升效率的變化量減少?？梢钥闯鲭妱?dòng)機(jī)低頻工作時(shí)，電機(jī)效率的變化對(duì)能源利用率有著較大的影響。

4 結(jié) 語

1) 當(dāng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，變頻效率也會(huì)隨之降低，為保證變頻器處于較高的變頻效率應(yīng)提高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的值。

2) 電動(dòng)機(jī)低頻工作時(shí)，能源的利用率較低，隨著頻率的升高，電機(jī)的實(shí)際使用效率明顯上升，達(dá)到了提高能源利用率的目的。