近十幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻調(diào)速以其效率高、調(diào)速范圍大、調(diào)速精度高、特性硬、無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，在各種交直流調(diào)速系統(tǒng)中，尤其是節(jié)能技術(shù)改造中的應(yīng)用面正在不斷擴(kuò)大，應(yīng)用也從簡(jiǎn)單的節(jié)能向改進(jìn)工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的綜合型方向發(fā)展。在設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中，經(jīng)常遇到的問(wèn)題是使用變頻調(diào)速是否節(jié)約能源，能否滿足生產(chǎn)工藝要求等。本文通過(guò)分析變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能與負(fù)載特性的關(guān)系，具體以供水系統(tǒng)為例，闡述節(jié)能與工藝的關(guān)系，同時(shí)給出了一些定量計(jì)算值。
1 、變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能原理與負(fù)載關(guān)系
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年的發(fā)電量有一半消耗在電機(jī)上，其中絕大部分的電機(jī)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便實(shí)用、維修量很少的鼠籠式電機(jī)，例如各種泵用電機(jī)、制冷式壓縮機(jī)用電機(jī)、多功能天車、加料小車傳動(dòng)電機(jī)、各種輸送設(shè)備用電機(jī)等。由于技術(shù)上的原因，在20 世紀(jì)80 年代前對(duì)較大功率的鼠籠式電機(jī)（幾個(gè)kW 以上）進(jìn)行調(diào)速控制一直是人們夢(mèng)想的事情。近20 年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展與自動(dòng)控制理論的進(jìn)步，采用變頻調(diào)速技術(shù)的通用型變頻調(diào)速裝置（VVVF）的價(jià)格大幅下降，在很多工廠用變頻調(diào)速裝置對(duì)鼠籠式電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制已成為現(xiàn)實(shí)。
并不是在所有情況下用變頻調(diào)速裝置對(duì)鼠籠式電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制都可以取得很好的節(jié)能效果，這要取決于電機(jī)負(fù)載的性質(zhì)。一般將電動(dòng)設(shè)備負(fù)載性質(zhì)分成三類，如表1所列。
表1 負(fù)載性質(zhì)分類
2各類負(fù)載的節(jié)能分析
為了分析簡(jiǎn)便，假定電動(dòng)機(jī)的輸入功率等于這類裝置的軸功率，即不考慮裝置效率的影響。由于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的軸功率正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ，
如轉(zhuǎn)速下降10% 、則功率亦下降10% 。
在理論上改變離心泵轉(zhuǎn)速時(shí)、泵特性有如下關(guān)系式
Q1/Q2 =n1/n2 (1)
H1/H2=(n1/n2)2 (2)
P1/P2=(n1/n2)3 (3)
式中：Q 為流量，H 為揚(yáng)程，P 為泵軸功率，n 為泵轉(zhuǎn)速，下標(biāo)1、2 表示泵的兩種不同轉(zhuǎn)速。
從式(3) 可以看出，當(dāng)流量從100% 下降到80% 時(shí)，功率將從100% 下降到51.2%，可以節(jié)省48.8% 的功率,節(jié)能效果非常顯著。
3變頻調(diào)速在鑄造車間恒壓供水系統(tǒng)上的應(yīng)用
3.1 1變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的選用
該系統(tǒng)分別有3 臺(tái)30 kW 熱泵、3 臺(tái)55 kW 冷泵，二用一備，采用ABB 公司的ACS601-0011-3 帶內(nèi)置PID 功能的變頻器，可編程控制器選用西門子S7-214-1BC10-0XB0 型，具體原理框圖如圖1 所示。圖1 中M1~M3 為電機(jī)，P1~P3 為水泵，JC1~JC6 為電機(jī)起、停、互相切換的交流接觸器，由可編程控制器定時(shí)切換。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID 調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來(lái)講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/ 輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/ 數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊PWM 調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂谱冾l器輸出頻率的模擬信號(hào)，這樣可編程控制器的成本非但沒(méi)有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/ 輸出的可編程控制器和一個(gè)PID 調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入/ 輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID 控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
圖1 新型變頻恒壓供水系統(tǒng)
由于PID 運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID 算法的編程，而且參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失真，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。
3.2 運(yùn)行方式
該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。
3.2.1 手動(dòng)運(yùn)行
按下啟動(dòng)或停止按鈕控制水泵啟停，可根據(jù)需要分別控制熱、冷泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時(shí)用。
3.2.2 自動(dòng)運(yùn)行
系統(tǒng)運(yùn)行由變頻柜與循環(huán)轉(zhuǎn)換柜,水泵、水流、壓力傳感裝置等構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，即由PID 調(diào)節(jié)器接收來(lái)自壓力傳感器的反饋信號(hào)，與給定的壓力參數(shù)進(jìn)行比較運(yùn)算，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
當(dāng)合上自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，首先由變頻柜軟啟動(dòng)1# 水泵，變頻器頻率從零升到50 Hz，水泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速， 此時(shí)供水壓力若達(dá)不到設(shè)定的壓力，系統(tǒng)自動(dòng)將1# 水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器再軟啟動(dòng)2# 水泵，進(jìn)行調(diào)速供水，如還達(dá)不到設(shè)定壓力，系統(tǒng)又自動(dòng)將2# 水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器又再軟啟動(dòng)3# 水泵，直至達(dá)到設(shè)定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調(diào)速運(yùn)行。如運(yùn)行中變頻泵運(yùn)行頻率降至設(shè)定的最低頻率，供水水壓仍大于設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止最先啟動(dòng)的水泵，如仍大，再停第二次啟動(dòng)的水泵。在夜間運(yùn)行時(shí)，當(dāng)最后一臺(tái)變頻泵運(yùn)行頻率降到設(shè)定的最低頻率時(shí)供水壓力還大于設(shè)定的壓力，變頻裝置將進(jìn)入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)停止水泵工作。此時(shí)由壓力傳感裝置監(jiān)視管網(wǎng)壓力，若低于設(shè)定壓力的0.05MPa，變頻裝置自動(dòng)喚醒，啟動(dòng)水泵補(bǔ)水。該系統(tǒng)就根據(jù)壓力傳感器反饋信號(hào)不斷進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到恒壓供水的目的。
3.3經(jīng)濟(jì)效益分析
目前該廠鑄造車間應(yīng)用3 臺(tái)55 kW 三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷泵供應(yīng)冷卻水，3 臺(tái)30 kW 熱泵抽取冷卻鋁錠的回流熱水，達(dá)到循環(huán)供水。平常豎井及橫鑄機(jī)組未啟動(dòng)時(shí)用水量較小,一般只開(kāi)一臺(tái)冷泵一臺(tái)熱泵，水壓限于0.4 MPa 左右。由于泵的功率較大,在該條件下工作時(shí)間較長(zhǎng)，采用變頻調(diào)速節(jié)能效果非常顯著。
改造前每年用電量約為（55+30）×24×365 =744 600 kW·h
泵類變頻調(diào)速節(jié)能可達(dá)到20%~30%，月均值在25%；電費(fèi)價(jià)格按0.2977 元/kW·h 計(jì)算，則每年可節(jié)約電費(fèi)744 600×25%×0.2977 =55 416.86 元
采用變頻調(diào)速, 根據(jù)管路水流量或壓力大小的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證了水壓處于設(shè)定值，達(dá)到了改善供水工藝條件的目的。除了節(jié)約電能外，還防止了由于人為操作閥門跟不上水壓的變化（特別是在交接班時(shí)），引起鑄造廠房“水淹”事故的發(fā)生。
4 結(jié)語(yǔ)
1）恒壓供水采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到水泵出口壓力穩(wěn)定，比靠人工操作調(diào)節(jié)閥門開(kāi)啟度控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力,大大減少截流損失的效能。
2)當(dāng)供水系統(tǒng)要求泵出口流量小于額定流量時(shí)，則泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)降低，不僅節(jié)能可觀,而且還減少了軸承的磨損和發(fā)熱，從而延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命,綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯。
3)因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員對(duì)閥門頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。
4)水泵電動(dòng)機(jī)采用變頻軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊對(duì)電網(wǎng)電壓造成的波動(dòng)，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
5)節(jié)電效果明顯，收回投資快，且長(zhǎng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大的。