变频调速节能技术.ppt

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1、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

2、，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 1:1

3、000 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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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%

18、。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,