李振中 劉強 曹厚繼
摘要:目前應(yīng)用于風機水泵調(diào)速的各種方法中效率最高的是變頻調(diào)速,但它還沒有使拖動風機水泵的異步電動機效率達到最高。為實現(xiàn)普通壓頻比恒定的變頻調(diào)速異步電動機的高效運行,本文分析了在保持頻率不變的情況下,如何通過調(diào)節(jié)輸入電壓,使異步電動機的效率達到最高的調(diào)節(jié)方法。
關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速 效率 節(jié)能
1 前言
據(jù)統(tǒng)計我國風機、水泵類機械設(shè)備每年耗電量占全國發(fā)電量的百分之三十以上。由此可見,變頻器用于風機、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合可以取得顯著的節(jié)電效果。從最佳經(jīng)濟效益和節(jié)能角度來看,降低帶風機類負載電機運行中的功率損耗,提高整個系統(tǒng)效率是非常必要的。
2電機運行中定頻降壓節(jié)約電能的可行性
根據(jù)電機學知道,假設(shè)施于電動機定子繞組上的電壓被降低,則電動機的電動勢和磁通隨之減小,鐵耗將下降。同時,因這時隨電壓平方而變化的電動機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩,使電動機的轉(zhuǎn)差率增加,直到電動機的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡為止。轉(zhuǎn)差率的增加引起轉(zhuǎn)子電流增加,且使轉(zhuǎn)子電流與定子電壓間的相角也要增大。因而,當電壓降低時,雖電動機的無載電流會減小,可是等于轉(zhuǎn)子電流與無載電流幾何和的定子電流,隨著電壓降低程度和負載的不同,可能增加或減少。
然而,對于輕載運行的電動機,電壓適當降低一些,在經(jīng)濟上常常是有利的。這是因為在輕載運行時,轉(zhuǎn)子電流并不大,在降低電壓運行時,不僅不會超過允許值,而且增加的數(shù)值并不多;而另一方面卻由于電壓的降低,空載電流和鐵耗均隨之減低,所以這時的定子電流比正常電壓時的值,不僅不會增加,可能還會降低。在這種情況下,電動機的總損耗就可降低,效率可以提高,定子溫升和功率因數(shù)還可得到改善。
3 風機水泵類負載電動機定頻降壓節(jié)能算法
異步電動機穩(wěn)態(tài)運行時的損耗包括:銅損、鐵損、機械損耗、雜散損耗等。其中,機械損耗和雜散損耗因較小,且不易計算,通??梢院雎圆挥?,因此,考慮電機鐵耗和銅耗之和,可代表電機總的損耗。
由于異步電動機的漏阻抗比勵磁阻抗小得多,通??梢院雎詣畲抛杩?,認為電動機的轉(zhuǎn)子電流等于定子電流,所以電動機的銅耗和電流的平方成正比,即
(1)
式中 、 ——電機在額定頻率額定狀態(tài)的電流和銅耗;
、 ——電機在任意頻率同一負載的電流和銅耗。
根據(jù)電機學知識可知,在額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩 和實際狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩 分別為:
(2)
(3)
式中 、 、 ——電機相數(shù)、級數(shù)和轉(zhuǎn)子電阻折算值;
、 ——任意狀態(tài)和額定狀態(tài)下電機定子側(cè)的電源電壓;
、 ——任意狀態(tài)和額定狀態(tài)下電機定子側(cè)的電源頻率。
、 ——任意狀態(tài)和額定狀態(tài)下電機的轉(zhuǎn)差率。
風機類負載的性質(zhì)是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比,而
(4)
所以: (5)
由式(2)、式(3)和式(5)可得,在調(diào)速系統(tǒng)中其電壓調(diào)節(jié)系數(shù) 和頻率調(diào)節(jié)系數(shù) 之間的協(xié)調(diào)控制關(guān)系為
(6)
――電壓調(diào)節(jié)系數(shù);
――頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。
由電機學可知,異步電機轉(zhuǎn)子電流的折算值
(7)
式中X——短路電抗。
在調(diào)頻調(diào)速的前提下,電機運行過程中的S很小, ,故可把X忽略,則頻率 時的電流
(8)
額定頻率時的電流
(9)
再將式(6)代入式(8)、式(9),則得
(10)
由式(10)和式(1),最后可得銅耗與電壓調(diào)節(jié)及頻率調(diào)節(jié)的函數(shù)關(guān)系為:
(11)
由電機設(shè)計理論可知,電機鐵耗正比于磁密的平方,并和頻率的1.5次方成正比,故有
(12)
式中 ——某一頻率下的鐵耗;
——額定頻率下的鐵耗。
由于電機端電壓近似正比于磁通和頻率的乘積,則
(13)
由式(12)和式(13),可得
(14)
設(shè)電機在額定電壓、額定頻率和額定負載下的銅耗與鐵耗的比值為 ;在額定電壓、額定頻率、實際負載的銅耗與鐵耗的比值為 。由于電機鐵耗由磁密及電源頻率決定,所以電動機在額定電壓、額定頻率下運行時,鐵耗基本不變。對于電機來說, 轉(zhuǎn)矩 ,所以轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)子電流 成正比。再由式(1)可知, 和 的關(guān)系如下
(15)
轉(zhuǎn)矩之比可視為功率之比,式(15)可改寫
(16)
式中, ——實際負載功率和額定功率之比,或稱為負載系數(shù) 。
在任意電壓和頻率協(xié)調(diào)控制時電機總損耗為
(17)
將式(11)、式(14)和式(16)代入式(17)可得:
(18)
對電壓調(diào)節(jié)系數(shù) 求導,并令 ,可得定頻降壓控制的電壓和頻率協(xié)調(diào)關(guān)系,即
(19)
式(19)即是損耗最小的調(diào)節(jié)控制方式,這種控制方式是按實際銅耗和鐵耗相等是損耗最小的原則匹配的。在給定電機的設(shè)計值 ( =1.2~2.0)和一定的負載系數(shù) 情況下,可求得定頻降壓控制時的電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制關(guān)系。
應(yīng)用定頻降壓控制進行調(diào)節(jié)時,由電機學知識可知:
(20)
為了避免磁路飽和,式(19)規(guī)定的控制方式應(yīng)該滿足 (與恒壓頻比調(diào)速控制方式相比,這種控制方式在恒壓頻比調(diào)速控制方式頻率不變的基礎(chǔ)上降低了電壓,這就是這種控制方式名稱的由來),即 ,所以有
(21)
分析式(21)可知,當電機在額定電壓和滿負荷條件下按定頻降壓的控制方式運行時,電機在一定的轉(zhuǎn)速上磁路可能已飽和。
在應(yīng)用定頻降壓控制方式時,為了獲得較高的效率,最好降低負載系數(shù),即 。這樣雖然電機容量利用不足,但運行中損耗降低,對長期運行的電機來說,在經(jīng)濟上是有益的。如果配套機械負載使電機負載系數(shù) 的條件難以改變,可在由式(21)確定的頻率以下范圍內(nèi)用最小損耗控制,在該頻率以上采用 控制。
最后我們來計算一下在最惡劣的條件下 所能達到的最大值。所謂最惡劣的條件,指 和 同時存在的情況,此時 的值為最小值 ,經(jīng)計算 。此值完全滿足目前的交-交變頻技術(shù)進行調(diào)速。
4結(jié)論
本文分析了風機、水泵類負載電動機定頻調(diào)壓節(jié)能一種算法,并分析電壓和頻率協(xié)調(diào)控制的問題。對提高變頻器使用的節(jié)能效果、進一步推廣變頻器節(jié)能新技術(shù)起到極大的推動作用。
參考文獻
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注:文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。