《变频调速节能技术》PPT课件.ppt

变频调速节能技术,希望森兰科技股份有限公司,第一部分 调速概念 概述 高效调速与低效调速 调速的主要指标 调速的意义,第一部分 调速概念,np 改变电机极对数，变极调速 S 改变电机转差率，调压调速，电磁调速， 绕线式电机转子串电阻调速 f1 改变电机输入频率，变频调速,一 、概述,2.异步电机调速公式：,转移电能并能改变频率的能量转换装置。,1.变频器定义：,一 、概述,定子调压 、转子串电阻 、滑差调速,n,二、高效调速与低效调速,在交流电机中，要使电机输出定转矩，作一定的功，需要从定子侧通过旋转磁场输出一定功率到转子侧，这个电磁功率为：pmT 上式说明：pm与转矩和转磁场速度的乘积成正比，在一定的转矩调速时，若不变，那么从定子送到转子的功率是不变的，要使转速降低，通常增大转子回路的电阻，使之产生损耗，即：,低效调速,二、高效调速与低效调速,P2r TT(1-s）pmspm SPm 转差功率，消耗在转子电阻上的功率，显然，改变S的调速是耗能调速,称为低效调速.,二、高效调速与低效调速,改变np f 是一种改变旋转磁场同步速度的 方法，是不耗能的调速, 因S未变，输出功率不增加，即 P2rTT(1-s)Pm(1-S) 损耗未增加是高效调速的方法.,高效调速,三、调速的主要指标,一般V/f控制变频器 D 10 1 : 10 矢量控制变频器 D 100 1 : 100 伺服器 1:1000 1:10000,调速比：,调速比,三、调速的主要指标,三、调速的主要指标,不同生产机械的调速比： 车床 20 120(多挡齿轮变速) 龙门刨 10 40 铣床 20 30 造纸机 10 20 轧钢机 3 10,调速比,三、调速的主要指标,理想空载转速与加载到额定频率时速降 与空载转速之比的百分数 对大多数的调速方式来说，机械特性越硬，则负载变化时速度变化越小，工作越稳定 低速纸机要求静态精度0.5以内 中高速纸机要求静态精度0.10.01,静态调速精度（调速相对稳定性）,静态调速精度：,三、调速的主要指标,动态精度：当负载突然增减时，系统的转速能快速恢复的时间 V/控制 数百ms 矢量控制 数十ms 直接转矩控制 10ms以内,动态调速精度,三、调速的主要指标,越接近于1平滑度越好。 生产机械的调速级数由生产加工要求而定: 普通机床 级 龙门刨床 接近无级 变频器为无级调速，平滑性好，数字量调节 模拟量调节 。,平滑性,用相邻两级的转速（线速度）之比来表示，平滑系数,四、调速的主要指标,投资回收率,经济性,故障率，寿命,效率,五、变频器的用途： （1）工艺调速； （2）牵引调速； （3）特种调速； （4）变频电源； （5）绿色发电； （6）调速节能。,第二部分 变频器调速节能技术 我国的能源利用的基本特点 变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术 变频器节能应用实例,第二部分 变频器调速节能技术,一概述： 中国经济在过去的20年得到了快速的发展，改革开放激活了国内市场经济，使中国经济持续20年增长，从1991年到2001年，中国GDP增长都在7以上，10年时间中国经济规模翻了2翻。2001年，中国加入WTO，中国迅速融入全球经济体系，为中国经济增长带来了新的增长动力，2002年至2006年GDP增长连年超过9，2007年第一季度甚至可能超过11%。 中国经济规模的迅速增长开始暴露出许多问题：GDP增长主要依赖固定资产投资，而目前的投资方向侧重于重化工行业，投资效率低下；能耗和物耗太高，国内资源消耗太快；基础原料依赖进口，而产品依赖于出口；环境状况恶化，环保投入不足。这些问题将会限制中国经济的,一概述：,可持续发展。 为了保障中国经济的长期可持续发展，中国的“十一五”计划提出来一个重要目标，单位GDP能耗降低20%，即每年降低单位GDP能耗4%。这个目标是相对保守的，在2004年，中国单位GDP的能耗是日本的7倍、美国的6倍，甚至是印度的28倍，相对而言中国的能源效率还是较低的，有很大的上升空间。在2006年，中国扭转了单位GDP能耗持续上升的局面，下降1.2%，但是没有达到预期计划下降的4%目标。 能耗过高的原因: 我们从能源的开采，传输、转化、运用以及新能源的使用的各个环节来研究中国能源使用状况，上面的GDP单位能耗数据主要表明了能源传输、,转化运用效率，实际上能源效率还包括其他环节的效率。 产业结构中重化工偏高是造成中国单位GDP能耗过高的原因之一。2005年中国第一产业、第二产业和第三产业GDP贡献率分别为12.6、47.5和39.9，而能耗分别为3.6、72.1和24.3，万元GDP能耗分别为0.346、1.852、0.743吨标准煤（数据来源：国家统计局）。从上面的数据可以看出，第二产业的能耗明显高于其他行业，中国第二产业在GDP中还占47.5的比例，而美国和日本第二产业占GDP的比例只有25和30。按照目前的能源使用效率计算，如果中国的第二产业比重下降到40，单位能耗就能够下降7，也就是说，以2005年的能源,效率计算，第二产业的比重每下降1个百分点，单位GDP能。耗就可以下降0.91%。 中国一次能源结构也是中国单位GDP能耗上升的重要原因。2005年中国的一次能源结构中煤炭所占的比重为68.9，原油21、天然气2.9、水电、核电、风电7.2，与之对应的是，美国这4类能源的比重分别为24、39、26、11。从能源转化效率来看，煤炭最低、电最高。按照目前的能源使用效率，煤炭的比重每下降一个百分点，中国的单位GDP能耗能减少0.82。 能源转化效率低是中国能耗高的重要原因之一。2005年,中国电力工业全国平均供电煤耗为374g/kWh,生产厂用电率为5.95%,电网综合线损率为7.18%,与国外先进水平,相比差距甚大。如日本东京电力公司1999年的供电煤耗为 320 g/kWh,厂用电率为4%；法国电力公司1999年的供电煤耗为331.6 g/kWh, 厂用电率为4.47%；德国巴伐利亚电力公司1999年的供电煤耗为332.1g/kWh, 厂用电率为5.42%（含脱硫装置用电）。美国、日本和德国2000年的电网综合线损率分别为6.0%、3.89%、4.6%，意大利EVEL 2004年的综合线损率为3.0%。生产装置的落后是造成这种情况的主要原因，目前我国大机组、高参数（超临界、超超临界）机组的比重还较低。 中国单位GDP能耗高最主要的原因是能源利用率低。例如，中国粗钢能耗为830Kg标准煤/T,而日本仅为 680kg标准煤/T，中国能耗高22；中国大型合成氨(30万吨装置),的标准能耗为1400kg标准煤/T，而美国为970kg标准煤/T 中国的小装置能耗甚至高达1800kg标准煤/T，平均水平也达到了1,700kg标准煤/T，比美国高出75。造成这种情况的主要原因在于装置规模小、工艺落后和能源回收利用比例低。 从数字来看，降低第二产业在国民经济中的比重就能够有效的降低中国单位GDP能耗指标。 但是，对于如此巨大的产业规模，产业结构的调整是非常困难的，而且是长期的的任务。 目前中国的产业结构状况是经济发展必然要经历的阶段，这种产业结构比例还将保持相当长的一段时间，只有中国基础工业成熟，生活水平提升，基础设施水平达到较,高的水平之后，服务业充分发展，产业结构重心才能倾向 服务业。从中国产业、人口、劳动力资源结构等方面来看，近期接近美国或者日本的产业结构比例是不现实的。 产业结构的调整需要国家政策的引导，限制重化工业，鼓励第三产业。 总体上来看近期不可能由产业结构的调整而带来明显的单位GDP能耗指标的下降。要实现4的单位能耗下降需要在更多的方面努力。其中电气传动中的节能是重要的方面。,二变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术 据统计，全国用电量的60%左右是通过电机来消耗的，由于考虑过载，重载启动，系统安全等因素，系统设计时电动机选型都留有一定的余量，高效的电动经常处在低效状态下运行，能源使用的不合理，浪费严重。采用变频调速技术可使电动机回到高效运行状态，具有非常大的节能效果。 （一）高效调速: 变频调速是高效的调速方式。 变频器效率95%96%，且不随转速的改变而改变；转速越低，节能越显著。其他调速方式，如电磁调速和液力,二变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术,偶合器调速的效率与转速的变化成正比，转速越低，效率越低，耗能越大。 实际生产中，电动机的负载是千差万别的，负载的机械特性不同，调速节能的效果也不一样。对于恒转矩负载 电磁调速和液力偶合器调速的效率与转速的变化成正比，损耗功率成比例增加；对平方转矩机械特性负载，转差离合器或液力偶合器损耗功率等于 。变频器调速的损耗功率为 ，由此可见，转差离合器或液力偶合器损耗功率比变频器损耗功率大得多。从目前的技术条件看，没有比变频调速节能更好的节能效果。 （二）电动机的调压节电,1电动机的效率： 异步电动机的效率都是负载率的函数，效率表示电机运行时有功功率的利用率，为输出功率与输入功率之比，即：,式中： 时的效率 时的输入功率(kw) (kw) 由上式可见，对于一定的负载，当电机的输出功率为,一定时，电机的效率与总损有关，总损耗大，则效率低；反之效率高。电机总损耗有两部分组成：即固定损耗和可变损耗，固定损耗不随电机的负载而变，可用电机的空载输入功率近似表示，可变损耗与电机负载率的平方成正比。 2、电机的损耗分析 异步电机在运行时的总损耗一般分为四类 （1）基本铜耗 基本铜耗包括定子铜耗 和转子铜耗 （2）基本铁心损耗 交变磁通在电机铁心中产生的磁滞和涡流损失 （3）机械摩擦损耗,机械摩擦损耗 包括通风系统损耗PV和轴承摩擦损耗PT （4）杂散损耗 漏磁场在金属构件中产生的涡流损耗，气隙中的高次谐波磁场在定转子铁心和导体中引起的损耗，统称为杂散损耗。此类损耗与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。 对于15KW电动机上述各种损耗在总损耗中所占的比例是基本铜耗30%50%；基本铁心损耗20%；机械摩擦损耗20%35%；杂散损耗10%15%。电动机运行时这些损耗中机械摩擦损耗是基本不变化的。用提高电动机的效率方法来节能显然不现实。,总损耗,铁损,铜损，杂散损耗,图1 电动机供电电压与损耗的关系,铁损,例1：计算球磨机变频调速改造后调压节能量，由GB12497三相异步电动机经济运行强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，且已知： =90kw， 0.935， =4.78kW， =0.6，K=0.25（4极电机），于是,=,则当电机的端电压U=380*0.75=285V时，有最佳的节电效果。 计算节约的有功功率：,=,=-0.41+0.68=0.27(kw),陶瓷厂的球磨机，料筒内加料16T18T，在工作转速16r/min 18rmin下运转8小时，料的细度就达到工艺要求，出料后然后再加料，重复上述过程。一般来说，对不同的厂家和球磨的原料不同,球磨机的性能参数也有一定的差别，如发电厂磨煤使用的MTZ3570球磨机，料筒有效内径3500mm，筒体长度7000mm，工作转速17.3r/min，电机功率1120kw(6kv)。球磨机的电气传动方式为，三相交流鼠笼异步电机液力偶合器齿轮减速器皮带轮减速器，或三相交流鼠笼异步电机齿轮减速器皮带轮减速器，一般球磨机的料筒作为了减速器的皮带轮使用。 一、球磨机的临界转速和最佳工作转速 球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的磨制过程。在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图1所示。,图1 筒体内的钢球和物料的运动状况,效率最高时的工作转速成为最佳工作转速nZJ。球磨机的临界转速为：,式中：D筒体内径 最佳工作转速为： (r/min),实际运行表明，最佳工作转速与钢球的直径及其装载量、护甲形状、钢球与护甲之间的摩檫系数等因素有关。一般最佳工作转速通常为 ，可见转速还是有一定的可调范围，只不过可调范围不大。实际上，如上所述的陶瓷厂的球磨机，料筒转速的变动范围在16r/min18r/min之间。可调速范围011%。球磨机为恒转矩负载机械，电机输出的轴功率PZ,即： 采用变频调速理论上节能的幅度在011%之间。,1风机泵类平方转矩负载的变频调速节能 风机泵类通用设备的用电占电动机用电的50%左右,那就意味着占全国用电量的30%。采用电动机变频调速来调节流量，比用挡板阀门之类来调节，可节电20%50%，如果平均按30%计算，节省的电量为全国总用电量的9%，这将产生巨大的社会效益和经济效益。 由于大量的风机泵类设备陈旧，运行效率低，耗电量过大，设计过程过多考虑建设前后长期工艺要求的差异，使裕量过大。如火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机,引风机的风量裕度分别为5%和510%，风压裕度为10%和10%15%，设计过程中很难计算管网的阻力，考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总把系统的最大风量和风压裕量作为选型的依据，但风机的系列是有限的，往往选不到合适的风机型号就往上靠，20%30%的比较常见。生产中实际操作时，常用阀门、挡板进行节流调节，增加了,1风机泵类平方转矩负载的变频调速节能,管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时能量消耗较大。如果用变频器对风机泵类设备进行调速控制，不需要再用阀门、挡板进行节流调节，将它们开到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少 节能量可用GB12497三相异步电动机经济运行强制性国家标准实施监督指南宣讲教材中的计算公式，即：,离心泵和风机应用理论依据 流量基本与转速成正比 压力/压头/杨程基本与转速平方成正比 输入功率基本与流量立方成正比,对风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率PL与流量Q的关系,式中：Pe额定流量时电机输入功率kW QN额定流量,若流量的调节范围（0.51）QN，则调节电率为：,例：有一电机4极Pe=315kW，驱动风机，风机的实际风量Q与额定风量之比Q/QN为0.8，现采用变频器调速，求节电率。 节电率36%。 2.恒转矩类负载的调速节能 对恒转矩类负载，有 ，电机的输入功率与转速的一次方成正比。,2.恒转矩类负载的调速节能,采用变频调速后节省的功率可用下式计算 节电率： 节省的功率与调速前后的速差成正比，速差越大，节能越显著。 恒转矩负载变频调速一般都用于满足工艺需要的调速，不用变频调速就得采用其他方式调速，如调压调速绕线式电机转子串电阻调速电磁调速等。由于这些调速方式是低效的调速，使用变频调速后，可节省因调速消,耗的转差功率，有时节能率也是很可观的。 例如在水泥厂采用变频调速的方法取代电磁调速，经过多个厂家的应用结果表明，平均节能量左右、为什么对电磁调速进行变频改造会有如此大的节能效果呢，因为电磁调速方法是的一种耗能的低效调速方法。 3、电磁调速系统 电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，通过改变转差离合器的激磁电流来实现实现调速。 转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损耗所产生的。如果考虑这些,3、电磁调速系统,电磁调速电机,式中：T2转差离合器的输出转矩 n2 -转差离合器的输出轴转速,损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入输出功率可由下式计算： 电动机轴输出功率 P1=T1n1 （1） 式中：T1电动机的输出转矩 n1 -电动机的输出轴转速 转差离合器轴输出功率 P2=T2n2 （2）,于是可得：,（5）,其效率正比于输出转速，输出最大转速时其效率理论值为85% 。 转差率可又下式计算：,（4）,（3）,电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。 对于恒转矩负载，T= T1 = T2=常数，所以，转差离合器的效率 ：,损耗功率公式（6）可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而工作机械的转速通常在,电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率基本保持不变。损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。,（6）,可见在恒转负载下，转差离合器的效率正比于输出转速。当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率基本保持不变，此时损耗功率Ph与转差损耗成正比增加， 即：,左右运行，因此改用变频调速的方式会有的节能效果。 4液力偶合器调速系统 液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动。系统中的液力偶合 器在电机起动时起缓冲作用，液力偶合器的效率与电磁调速器的计算方式相同，计算的公式为：,4液力偶合器调速系统,5绕线式电机串电阻调速系统 绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调,5绕线式电机串电阻调速系统,（8）,其效率正比于输出转速，输出最大转速时其效率理论值为95% 。当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率保持不变，此时损耗功率Ph与转差损耗成正比增加，即：,（7）,（9） （10） （11）,速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机返向旋转和改变电机的反向转速。 对于绕线式电机，无论在起动制动还是调速中，采用转子串电阻方式均会带来电能损耗。这种损耗随着转速的降低，转差率S的增大而增大，另外，随着串接电阻的增大，机械特性变软，难以达到调速的静态指标。 绕线式电机的功率关系为：,若S=0.5,电磁功率有一半消耗在转子电阻上，调速系统效率低于50%。,三变频调速节能与系统功率因数的关系,式中：,用电度表进行计量检测电机实际消耗的电量时，电度表,（12）,三变频调速节能与系统功率因数的关系 ： 前已假定电动机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同，这样在计算节能时可不考虑系统功率因数的影响。实际上，在变频器投入前后，其功率因数可能是不同的，因此，计算的节能量是否考虑变频器调速前后的功率因数的变化呢？ 正弦电路中，功率因数是由电压U与电流I之间的相位角差决定的。在此情况下，功率因数常用P表示。电路中的有功功率P就是其平均功率，即：,测量的就是电动机系统消耗的有功功率。若原电动机系统的功率因数较低，在使用变频器后以50Hz频率恒速运行，这时功率因数有所提高。功率因数提高后，电动机的运行状态并没有改变，电动机消耗的有功功率和无功功率也没有改变。无功能量在变频器中的滤波电容与电动机之间进行交换，因此变频器实际输入电流减小，从而减小了电网与变频器之间的线损和供电变压器的铜耗，同时减小了无功电流上串电网。因此计算节能时，应考虑提高功率因数后的节能。,（13）,配电系统电流下降率和配电系统损耗下降率都是对单台电动机使用变频器前后的电流和线路损耗而言，不是指配电系统电流和损耗的实际变化。,式中： -变频器投入前电动机运行的功率因 数 -变频器投入后电动机运行的功率因 数 配电系统下降的损耗,（14）,式中： 对应于实测的电动机线电流I求得的负载率。 对应于实测的电动机线电流I求得的效率。,（15）,下面举一个典型的事例。 例2：有一台压料机，电机功率200kW，安装在离配电房100多米的地方，计量仪表电压表电流表和有功电度表均在配电房。工频时电机空载工作电流192A；加载时，电机工作电压356V, 电流231A。由于负载较轻，导致电动机的负载率和效率都较低。这时电动机的功率因数可由下式计算：,电动机的线路损耗下降率为79.6%。由于输电电路较长且线径较细，节能非常显著。 实际上这是一个补偿功率因数节能的实例，如果仅进行无功补偿，只需是用电容对电机进行无功就地补偿，但如果电机需要调速控制，采用变频器后即可达到调速，又可以实现无功就地补偿。,由(14)式计算 ,实测功率因数 一般情况下，压料机不需调速，接入变频器后仍以50Hz的频率运行，这时实测功率因数为 。 由（14）式,变频器用于密炼机开炼机，实际的输出电流已经降低较大的幅度，但节电率有限。 1变频器使用的负载为恒转矩特性的负载，其使用频率仅下降2-5Hz，由式 电动机的输入功率下降4%-10%，在变频器的运行过程中，变频器本身要消耗5%的能量，二者对消后节能率有限，甚至就没有节能也是可能的。,例2：浙江海利德公司森兰变频器运行状况,用电度表进行计量检测实际的节能量时，电度表测量的就是电动机系统消耗的有功功率。若原电动机系统的功率因数较低，在使用变频器后以50Hz频率恒速运行，这时功率因数有所提高。功率因数提高后，电动机的运行状态并没有改变，电动机消耗的有功功率和无功功率也没有改变。变频器中的滤波电容与电动机进行无功能量的交换，因此变频器实际输入电流减小，从而减小了电网与变频器之间,（1）,2电流下降较大的幅度为什么仍不节能？ 正弦电路中，功率因数是由电压U与电流I之间的相位角差决定的。在此情况下，功率因数常用表示。电路中的有功功率P就是其平均功率，即：,式中： -变频器投入前电机消耗的有功功率 变频器投入后电机消耗的有功功率,于是有： 一般，提高功率因数后，电机的端电压略有所升高，因此（2）式 中的值小于1，其电流 ， 比,（2）,的线损和供电变压器的铜耗，同时减小了无功电流上串电网。根据功率因数提高后，电动机的运行状态并没有改变，电动机消耗的有功功率和无功功率也没有改变，可计算功率因数提高后电动机的工作电流：,减小的程度取决于电机运行原来的功率因数和提高后的功率因数的比值。若原来的功率因数比较低，投入变频器后，功率因数可以提高到0.9以上， 和 相差就比较大.功率因数提高后，电动机的运行状态并没有改变，电动机消耗的有功功率也没有改变，因为调速的范围较小，尽管电机工作电流下降较大，节能量还是较少或没有节能是可以理解的。但是，配电系统的损耗下降了，配电系统损耗的下降率为： 配电系统的电流下降率和配电系统的损耗下降率都是对单台电动机补偿前后电流和损耗而言，不是指总的配电系统电流和损耗的实际变化。,(3),第三部分 变频节能应用实例,第三部分 变频节能应用实例,变频器节能应用实例 1.森兰SB40变频器在济南裕兴化工总厂硫酸生产线上的应用。济南裕兴化工总厂是一家生产硫酸的大型企业 ，用电量较大， 350KW风机靠调节风道挡板控制送风量以适应生产负荷的变化。由于投建时风机选型较大，出现“大马拉小车”情况，部分电能被消耗在风道挡板上。改造为变频调速前后的对比,变频器节能应用实例,节省功率 324.5-215=109.5(KW)，节电率：34.4%，按每年工作300天计算，年节电788400KWh，经济效益十分显著。 2.变频器在重庆某水泥厂的节能应用 中国铁道建筑总公司川东水泥厂 ，2旋窑（1旋窑类似）窑尾排风机型号Y4-73N022D，额定流量175000m3/h，额定风压1540Pa，额定转速580r/min，配用拖动电机型号JS12S-10 130KW，电机为自耦减压起动方式，运行电流125A左右。根据该窑正常工况的测算，窑尾排风机实际排风量110000m3/h左右。显然窑尾排风机能力选型过大，额定风量及风压均大大超过生产的实际需要。正常生产运行,时,不得不通过大幅度关小窑尾进风口导流叶片的角度来调低风量，导流叶片的角度开度一般只有25%左右。 选用四川希望集团的森兰BT40S系列交流变频器为主，先后对旋窑窑头煤粉风机、窑尾排风机及料浆泵等设备进行了节能技术改造，取得了明显的技术及经济效益。 技改后各设备实现节电率见下表：,3 变频器在纺织.印染行业的应用 四川某印染厂， 化纤布在印染和后处理工艺中，都离不开热能和压缩空气， 热能：蒸气，漂染工艺的高温高压染色机，常温染色机等 导热油：烘干设备，后处理工艺的印花机，烘干机，拉幅机等 15T燃煤锅炉，引风机9