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2013年变频器节能原理及变频方式

    内容摘要:在变频调速技术成熟之前,直流电动机的调速特性被公认为是最好的,只需要调节输入电压即可。

    1、变频器的节能原理

    为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时,如果流量要求减小,通过降低泵或风机的转速即可满足要求。 由流体力学可知,P(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时,可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时,电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低,比调节挡板、阀门节能40%一50%,从而达到节电的目的。 例如:一台离心泵电机功率为55千瓦,当转速下降到原转速的4/5时,其耗电量为28.16千瓦,省电48.8%,当转速下降到原转速的l/2时,其耗电量为6.875千瓦,省电87.5%。

风机在不同频率下的节电率

 

    2、变频器的变频方式

    在变频调速技术成熟之前,直流电动机的调速特性被公认为是最好的,只需要调节输入电压即可。但由于直流电机存在换向器,制造复杂,造价较高,所以目前仅用在调速性能要求较高的场合应用-如电动汽车和用直流电源(电池)供电的小型电机。 交流电机的转速由三个因素决定:转差率、磁极对数和供电频率。磁极对数一般由电机结构决定,难以调节;调节转差率会带来比较大的负面效果,要么电机效率较低,要么电机转矩下降,电机失去过载能力。同时调节转差率只能使转速在5%以内波动,调节范围狭小。所以最好的转速调节方法,就是调节供电频率。

    1. V/f控制

    V/f控制同时调节电压与频率,使其比值保持不变,磁通恒定。V/f是一种转速开环控制,原理简单,控制电路简单,负载可以是通用标准异步电动机,通用性强,经济性好。但缺点是:1. 当频率升高时,为了保持磁通不变(否则过饱和),电压需下降,造成电机输出下降,负载能力减弱。这时候为恒功率工作模式。2. 当频率下降,电压同步下降到一定程度时,定子上面的阻抗压降就不可以忽略,需要适当提高逆变器的输出电压,保证异步电机的输出转矩,不影响电机的低频工作性能。3. V/f控制本身还是标量控制,没有考虑异步电机是一个多变量耦合关联的非线性系统,异步电机内转矩和磁链是电压和频率的函数,在高动态控制时(快速改变转矩),电机的动态响应性能较差,无法做到精确控制。同时偏离额定转速的低频状态下,难以保持磁链稳定,或者导致铜损和铁损增加。

    2. 矢量控制

    矢量变换控制是20世纪70年代原西德Blaschke等人首先提出来的。其基本思想是把交流异步电动机模拟成直流电动机,能够像直流电动机一样进行控制。采用矢量控制可以提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型,利用坐标变换的手段,将交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流,并分别加以控制。自然解耦的直流电动机的控制方式,对电动机的磁场和转矩分别进行控制,以获得类似于直流调速系统的动态性能。可以说,V/f调速只是间接的控制决定转矩和转速的量(气隙磁通),而矢量控制直接控制决定转矩和转速的电流和频率。同时矢量控制是闭环控制,精度更高,响应速度更快。
 

本文采编:CY201

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