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            西门子变频器功率模块及节能原理

            2020-05-19

                知道如何用变频调速的人是很常见的,但大多数人在提到如何用变频调速时,总是会挂断节能的电话。近年来,虽然我国能源发展取得了长足进步,但仍跟不上需求的增长,节能降耗始终处于突出地位。经过多年的理论研究和在5、6转炉上的应用,宣钢炼钢厂150t转炉的除尘风机、水泵、振动给料等都采用了大量的变频器,为我国的节能事业做出了一定的贡献

                1、 变频器工作原理

                变频器主要由模块、CPU控制板和电源驱动板组成

                我们知道交流电动机同步转速的表达式位:n=60F(1-s)/P(1),其中n为异步电动机的转速;F为异步电动机的频率;s为电动机的转差率;P为电动机的极数。从式(1)可以看出,转速n与频率f成正比,通过改变频率f可以改变电动机的转速,当频率f在0-50赫兹范围内变化时,电动机的调速范围很宽。变频器通过改变电机的电源频率来实现调速。它是一种理想的高效率、高性能的调速方法。如果认为只要随时使用变频器,电机就能节能,那就太牵强了。变频器是电力电子科学的体现。它是利用电力电子器件半导体器件的开关功能,实现对功率和大功率的转换和控制的电子电路器件。也就是说,电源电路是电子的,可以直观地控制和显示。由于变频器的这一优点,其应用领域越来越广泛,所采用的技术也在不断地扩展。同时,为了追求变频器的小型化,人们一直在努力减少元器件的发热。由于新一代IGBT采用了漏极控制电极的新技术,大大降低了集电极-发射极的饱和电压(ucesat),因此新器件的损耗低,具有降低发热和消除损耗的作用。

                目前,380V小容量通用变频器应用广泛,但功耗相对较大,而高压大容量变频器具有显著的节能效果。随着变频调速技术的发展,高压变频调速技术作为一种大容量输电技术得到了广泛的应用,覆盖了我国电力、冶金、石油、化工、造纸等各大行业,产品电压等级包括3KV、6kV和10kV,以及油田专用潜油电泵用1600v-2400v产品,基本能驱动风机、泵、压缩机等各种负载,高压电机采用高压变频器实现无级调速,既能满足生产过程中电机调速控制的要求,又能大大节约能源,降低生产成本。随着GTO、IGBT、IGCT等自关断器件的发展,适用于高压变频的主电路拓扑研究进一步深入。以DSP为代表的智能控制芯片的迅速普及,为高压变频调速技术的应用研究奠定了坚实的基础。作为一种资源节约型产品,随着电力电子技术的不断发展、产品的不断完善、观念的深入和市场的拓展,高压变频器将显示出巨大的技术发展前景和市场需求。相应地,变频器的节能要求也相应提高。

                二、 变频器的节能原理
            1、变频节能
            变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。宣钢炼钢厂有大量的风机类水泵类负载,这类负载由流体力学可知,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。所以当所要求的流量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,转速控制方式在低速小流量时,仍可使泵机高效率运行。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%~50%,从而达到节电的目的。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。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%。
            2、功率因数补偿节能
            无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗线路当中,设备使用效率低下,浪费严重,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。
            3、软启动节能
            电机硬启动对电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。三、结论
            变频调速之所以节能,主要在于把全速运行中浪费的电能节约了下来。尤其是闭环调速系统,如恒压供水系统等,实现了按需拖动,几乎完全消除了拖动系统在运行过程中的浪费。这是从大的方面实现了节能,但并不等于节能潜力已经挖掘干净了。事实上,在许多场合,还存在着大马拉小车的现象,在这一方面,还大有潜力。变频器可以省电这是不可磨灭的事实,在某些情况下可以节电40%以上,但是某些情况还会比不接变频器浪费!变频器是通过轻负载降压实现节能的, 拖动转距负载由于转速没有多大变化,即便是降低电压,也不会很多,所以节能很微弱,但是用在风机环境就不同了,当需要较小的风量时刻,电机会降低速度,我们知道风机的耗能跟转速的1.7次方成正比,所以电机的转距会急剧下降,节能效果明显。当然,如果环境要求必须调速,变频器节能效果还是比较明显的。不调速的场合变频器不会省电,只能改善功率因数。

                西门子功率单元PM250D 6SL3525-0PE21-5AA1

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