论文部分内容阅读
【摘要】目前国内电动机被广泛应用在各行各业，工业、国防、商业等领域都把它视作各种业务的主要动力支撑。推广变频调速技术，并不断改善风机、泵类电动机等，不仅能够提高整个机组的工作效率，还且还能够减少能耗。本研究在分析高压变频技术在电力生产中的特点和功能，证实了高压变频在电力生产中的节能效果是非常明显的，具有重要意义。
【关键词】高压变频；电气设备；调速；节能
1.电力生产的特点及节能减排的紧迫性
1.1电力生产的特点
电能作为与人们生活息息相关的产业，具有其鲜明的特色。它作为一种不易存储的可再生能源，是以消耗源源不断的其他形式的能量为基础的，因此发电机以及其他相关设备必须保持长期、连续并安全有效地运转的。同时，电力生产过程中，其负荷是不断变化的。电力生产和电力产品的这种特点也就决定了电力系统中，各工程及设备的安排必须根据其最大生产力的能耗进行配置，否则一旦功能过大，就会影响其电力设备，甚至造成安全隐患。
因此，在设计过程中，既不能根据电力生产力的平均能耗，也不能根据其生产过程中的最小能耗，必须使电力设备中汽轮机的受力大于发电机的受力情况，同时锅炉的处理也必须大于汽轮机的受力情况。作为电力生产中的辅助设备，锅炉的风机和水泵等的受力又必需大于锅炉本身的出力。
以火力发电为例，其发电厂的设计规定必需按照设计规程严格执行。电厂风机的出力值必须大于整个风机系统的最大风量和风压的百分之五至百分之十的宽裕量。因此，实际操作和运行过程中，必须加强对风机流量的调节。通过雕节阀门和挡板去改变风机的工作速率，在这种调节过程中，还必须不能改变电机的运转效率，以最大效率地达到节能减排的效果。同时，还要注意调节力度，尽量要有专人看管，加强对阀门和挡板的维护与检修，以尽可能提高其调节精度。而运用变频调节技术的设备则可以在实际工作中，自动改变调节给水量、风量的大小，不仅能够满足生产能力的需求，还能够实现节能减排的效果，同时还可以减少因频繁调节挡板阀门和管道对其造成的磨损所产生的经济损失。
1.2节能减排的紧迫性
当前我国电力节能减排形势严峻，各个环节耗能比较多。从我国目前的电动机装备容量看，总体达到数百亿千万，占到全国总消费电能的百分之六十到七十之间。但是在实际生产过程中，交流电动机占了百分之九十左右，大约只有2000万千万的电动机使用的是变频调速机，几乎百分之九十五以上的电动机没有使用变频调速，耗能巨大。国内许多电动机的效率平均比发达国家低三至五个百分点，加上风机和泵类的负载效率低下，总体来看，我国电动机整体系统要比发达国家的电动机系统低有百分之二十。当然另一方面也说明我国电动机的节能潜力也比较巨大，如果加大对这些系统进行合理的开发改造，经初步估算，每年的节电量将是五百亿千瓦。因此，在国内电机发电行业进行节能减排任务非常紧迫，节能减排已经成为大势所趋。
2.节能减排新技术——高压变频
2.1PWM控制技术
PWM控制技术是通过采用半导体原件的断开和开通将直流电压转换成为具有一定形状的脉冲序列，以实现对电流频率和电压的控制，消灭谐波的一种技术。PWM可以在变频器的调控上实现，以显著改善变频器的输出波长的特性，减少电动机的能耗和转矩脉动，并不断简化逆变频器的组织结构，增快调节的速率，从而提高了整个系统的性能和带动力。
2.2无速度传感器矢量控制技术
近年来，很多高性能的异步电机调速技术也得到了普遍推广和应用。但是不得不提的是，速度传感器的安装和维护以及低性能等多方面的问题，也在不断困扰着人们对矢量电机调速器的期望，其简便性、稳定性和廉价性等方面都有待提高。
2.3SPWM控制技术
此中控制技术是实践中比较新颖的控制技术之一，近年来得到了长足的发展并有了较为广泛的使用。其基本工作原理就是将几个三角波信号与一个参考信号一一比较，产生出一种叫做SPWM的信号。然后，把三角波进行适当地移相，可以有效消除选定的谐波量。
3.高压变频器件
随着国内外变频调节技术的不断普及和发展，那些大容量的传动高压（通常在两千伏至十千伏之间）变频调节技术与得到了推广和应用。目前高压变频器已经成为目前电力技术最新的发展趋势和发展领域之一。当前，主要高压变频产品大致分为三种类型。
3.1电流源型
电流源型中的高压变频传输器具有入侧功率因数低、效率比高压变频器低和电抗器的发热能力较大等突出问题，所以在高压变频器中的市场份额逐渐减少，竞争力渐渐变弱的趋势比较明显。
3.2三电平型中高变压器
该变压器运用钳位电路，有效化解了两只功率元件的串联问题，加上运用相电压输出三个电平的特点，造成了输出电压不高的弊端，其使用推广也受到很大的限制。其主要的使用范围通常在比较特殊的领域内，比如提升机、轧钢机和机车牵引机等。
3.3多电平型中高压变频器
此种变频器采用多个低压串联成高压的工作原理，将输入端口的降压变压器运用移相的方法，能够有效消灭谐波对电网的污染，而输出端口则采用多电平正弦PWM技术，适用于各种电压的普通电机。
4.高压变频在水泵、风机和压缩机中的应用
4.1泵类、风机变频节能的原理
变频器是锅炉调速的主要控制方式，通过对鼓、引风机和给水泵的调节和控制，实现节能的目的。根据异步电动机转速的公式和水流体力学的基本原理我们可知，水泵在控制着转速的时候，水泵的输出量与其转速成正比例的关系，同时，水泵的供水压力和转速的平方成正比例的关系，其所耗费的总功率等于流量和压力相乘。
通过这个原理我们可知，由于轴的功率和转速的立方成正比例的关系，当水泵的速度不断下降时，其功率将会以立方根的比值大幅下降，因此，通过调节水泵的功率和转速，可以充分实现节能减排。另一方面，从水泵的总体功率来看，其效率会随着流量和转速的相对值而增大或者减小。当流量有所减少时，水泵的效能降低幅度较大。而当其转速得到有效控制时，由于水泵的阀门的开口保持不变，即流量保持不变，水泵的效能能够总是处于最佳，进而大大提高其工作效率，真正达到了节能减排的效果。 同时，在风机类型的电气设备中，变频技术在工作时，并不需要很大规模的对原来的电动机进行改动，只要将其二次控制回路这一个方面改动即可。通过一个简单程序，即可实现变频调速的功效，使得电动机的转速实现了无极变速。调速之后，整个电动机的调速范围变宽了，其精度和效率都进一步提高，改变电动机的硬启动，实现软启动，进而最大限度地减少启动造成的冲击和磨损，不仅提高了工作效率而且进一步实现了节能减排。
4.2压缩机的变频改造
在比较传统的中央空调运行系统中，制冷机组是受制于制冷电动机的驱动而运转的。其工作原理为：当冷却水回水处温度和冷却水供水处温度的差别与设定的温度出现差别时，制冷压缩机就开始工作，并进行部分或者全部卸载，这是，制冷电动机依然按照设定好的程序轻载运转；而当冷冻水回水处温度与冷冻水供水处温度的温度差大于设定温度差时，制冷压缩机进行部分或全部加载，制冷电动机满载或轻载运转。冷水泵和冷却水泵启动后保持运载。这种工作状态是按额定运行工况设计的，但实际情况却不总是这样的，因为为了实现使用房间的数量和季节温度等的变化，传统中央空调系电能的浪费是不可避免的。运用高压变频技术，用风机、泵类的变频器驱动制冷电动机，使冷冻水回水保持在设定温度状态，将改善空调机的运载性能，提高经济效益。通过一次风机高压变频改造的实例可以看出：高压变频技术在发电厂大功耗辅机节能上有着非常明显的效果。
5.高压变频技术发展趋势
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的手机、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的是软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两个方面得到发展。
6.结论
高压变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施。很多工程实践的结果证明，高压变频调速技术使电气设备节电率一般在百分之二十至百分之三十，有的高达百分之四十。发展高压变频调速技术，把高压变频调速技术应用到冶金、化工及建筑等行业中，将改善各行业电气设备的系统性能，提高经济效益，同时也为我国节能减排的工作发挥巨大的推动作用。
参考文献
[1]赵相宾，年培新.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动，2000，30（2）：34.
[2]贾贵玺，高跃，贺家李等.高压变频调速技术在发电厂节能方面的研究与应用[J].电力系统自动化，2002，26（14）：41.
[3]徐甫荣，陈辉明.高压变频调速技术应用现状与发展趋势[J].变频器世界，2007，24（2）：16.
[4]姚志松，吴军.电动机节能方法与PLC变频器应用实例[M].北京：中国电力出版社，2009：22-185.
【关键词】高压变频；电气设备；调速；节能
1.电力生产的特点及节能减排的紧迫性
1.1电力生产的特点
电能作为与人们生活息息相关的产业，具有其鲜明的特色。它作为一种不易存储的可再生能源，是以消耗源源不断的其他形式的能量为基础的，因此发电机以及其他相关设备必须保持长期、连续并安全有效地运转的。同时，电力生产过程中，其负荷是不断变化的。电力生产和电力产品的这种特点也就决定了电力系统中，各工程及设备的安排必须根据其最大生产力的能耗进行配置，否则一旦功能过大，就会影响其电力设备，甚至造成安全隐患。
因此，在设计过程中，既不能根据电力生产力的平均能耗，也不能根据其生产过程中的最小能耗，必须使电力设备中汽轮机的受力大于发电机的受力情况，同时锅炉的处理也必须大于汽轮机的受力情况。作为电力生产中的辅助设备，锅炉的风机和水泵等的受力又必需大于锅炉本身的出力。
以火力发电为例，其发电厂的设计规定必需按照设计规程严格执行。电厂风机的出力值必须大于整个风机系统的最大风量和风压的百分之五至百分之十的宽裕量。因此，实际操作和运行过程中，必须加强对风机流量的调节。通过雕节阀门和挡板去改变风机的工作速率，在这种调节过程中，还必须不能改变电机的运转效率，以最大效率地达到节能减排的效果。同时，还要注意调节力度，尽量要有专人看管，加强对阀门和挡板的维护与检修，以尽可能提高其调节精度。而运用变频调节技术的设备则可以在实际工作中，自动改变调节给水量、风量的大小，不仅能够满足生产能力的需求，还能够实现节能减排的效果，同时还可以减少因频繁调节挡板阀门和管道对其造成的磨损所产生的经济损失。
1.2节能减排的紧迫性
当前我国电力节能减排形势严峻，各个环节耗能比较多。从我国目前的电动机装备容量看，总体达到数百亿千万，占到全国总消费电能的百分之六十到七十之间。但是在实际生产过程中，交流电动机占了百分之九十左右，大约只有2000万千万的电动机使用的是变频调速机，几乎百分之九十五以上的电动机没有使用变频调速，耗能巨大。国内许多电动机的效率平均比发达国家低三至五个百分点，加上风机和泵类的负载效率低下，总体来看，我国电动机整体系统要比发达国家的电动机系统低有百分之二十。当然另一方面也说明我国电动机的节能潜力也比较巨大，如果加大对这些系统进行合理的开发改造，经初步估算，每年的节电量将是五百亿千瓦。因此，在国内电机发电行业进行节能减排任务非常紧迫，节能减排已经成为大势所趋。
2.节能减排新技术——高压变频
2.1PWM控制技术
PWM控制技术是通过采用半导体原件的断开和开通将直流电压转换成为具有一定形状的脉冲序列，以实现对电流频率和电压的控制，消灭谐波的一种技术。PWM可以在变频器的调控上实现，以显著改善变频器的输出波长的特性，减少电动机的能耗和转矩脉动，并不断简化逆变频器的组织结构，增快调节的速率，从而提高了整个系统的性能和带动力。
2.2无速度传感器矢量控制技术
近年来，很多高性能的异步电机调速技术也得到了普遍推广和应用。但是不得不提的是，速度传感器的安装和维护以及低性能等多方面的问题，也在不断困扰着人们对矢量电机调速器的期望，其简便性、稳定性和廉价性等方面都有待提高。
2.3SPWM控制技术
此中控制技术是实践中比较新颖的控制技术之一，近年来得到了长足的发展并有了较为广泛的使用。其基本工作原理就是将几个三角波信号与一个参考信号一一比较，产生出一种叫做SPWM的信号。然后，把三角波进行适当地移相，可以有效消除选定的谐波量。
3.高压变频器件
随着国内外变频调节技术的不断普及和发展，那些大容量的传动高压（通常在两千伏至十千伏之间）变频调节技术与得到了推广和应用。目前高压变频器已经成为目前电力技术最新的发展趋势和发展领域之一。当前，主要高压变频产品大致分为三种类型。
3.1电流源型
电流源型中的高压变频传输器具有入侧功率因数低、效率比高压变频器低和电抗器的发热能力较大等突出问题，所以在高压变频器中的市场份额逐渐减少，竞争力渐渐变弱的趋势比较明显。
3.2三电平型中高变压器
该变压器运用钳位电路，有效化解了两只功率元件的串联问题，加上运用相电压输出三个电平的特点，造成了输出电压不高的弊端，其使用推广也受到很大的限制。其主要的使用范围通常在比较特殊的领域内，比如提升机、轧钢机和机车牵引机等。
3.3多电平型中高压变频器
此种变频器采用多个低压串联成高压的工作原理，将输入端口的降压变压器运用移相的方法，能够有效消灭谐波对电网的污染，而输出端口则采用多电平正弦PWM技术，适用于各种电压的普通电机。
4.高压变频在水泵、风机和压缩机中的应用
4.1泵类、风机变频节能的原理
变频器是锅炉调速的主要控制方式，通过对鼓、引风机和给水泵的调节和控制，实现节能的目的。根据异步电动机转速的公式和水流体力学的基本原理我们可知，水泵在控制着转速的时候，水泵的输出量与其转速成正比例的关系，同时，水泵的供水压力和转速的平方成正比例的关系，其所耗费的总功率等于流量和压力相乘。
通过这个原理我们可知，由于轴的功率和转速的立方成正比例的关系，当水泵的速度不断下降时，其功率将会以立方根的比值大幅下降，因此，通过调节水泵的功率和转速，可以充分实现节能减排。另一方面，从水泵的总体功率来看，其效率会随着流量和转速的相对值而增大或者减小。当流量有所减少时，水泵的效能降低幅度较大。而当其转速得到有效控制时，由于水泵的阀门的开口保持不变，即流量保持不变，水泵的效能能够总是处于最佳，进而大大提高其工作效率，真正达到了节能减排的效果。 同时，在风机类型的电气设备中，变频技术在工作时，并不需要很大规模的对原来的电动机进行改动，只要将其二次控制回路这一个方面改动即可。通过一个简单程序，即可实现变频调速的功效，使得电动机的转速实现了无极变速。调速之后，整个电动机的调速范围变宽了，其精度和效率都进一步提高，改变电动机的硬启动，实现软启动，进而最大限度地减少启动造成的冲击和磨损，不仅提高了工作效率而且进一步实现了节能减排。
4.2压缩机的变频改造
在比较传统的中央空调运行系统中，制冷机组是受制于制冷电动机的驱动而运转的。其工作原理为：当冷却水回水处温度和冷却水供水处温度的差别与设定的温度出现差别时，制冷压缩机就开始工作，并进行部分或者全部卸载，这是，制冷电动机依然按照设定好的程序轻载运转；而当冷冻水回水处温度与冷冻水供水处温度的温度差大于设定温度差时，制冷压缩机进行部分或全部加载，制冷电动机满载或轻载运转。冷水泵和冷却水泵启动后保持运载。这种工作状态是按额定运行工况设计的，但实际情况却不总是这样的，因为为了实现使用房间的数量和季节温度等的变化，传统中央空调系电能的浪费是不可避免的。运用高压变频技术，用风机、泵类的变频器驱动制冷电动机，使冷冻水回水保持在设定温度状态，将改善空调机的运载性能，提高经济效益。通过一次风机高压变频改造的实例可以看出：高压变频技术在发电厂大功耗辅机节能上有着非常明显的效果。
5.高压变频技术发展趋势
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的手机、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的是软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两个方面得到发展。
6.结论
高压变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施。很多工程实践的结果证明，高压变频调速技术使电气设备节电率一般在百分之二十至百分之三十，有的高达百分之四十。发展高压变频调速技术，把高压变频调速技术应用到冶金、化工及建筑等行业中，将改善各行业电气设备的系统性能，提高经济效益，同时也为我国节能减排的工作发挥巨大的推动作用。
参考文献
[1]赵相宾，年培新.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动，2000，30（2）：34.
[2]贾贵玺，高跃，贺家李等.高压变频调速技术在发电厂节能方面的研究与应用[J].电力系统自动化，2002，26（14）：41.
[3]徐甫荣，陈辉明.高压变频调速技术应用现状与发展趋势[J].变频器世界，2007，24（2）：16.
[4]姚志松，吴军.电动机节能方法与PLC变频器应用实例[M].北京：中国电力出版社，2009：22-185.