变频调速在矿井风机中的节能效果分析

　　摘要：文章简要介绍了变频器的工作原理和控制方式，并对矿井的主通风机进行节能效果分析，分析了变频调速系统的优缺点。变频调速技术不仅具有较好的调速性能，而且具有显著的节能效果。但是变频器的使用也是有一定条件的，节能效果与不同机械设备的特性有关，盲目使用也会适得其反，应该对所有节能措施进行技术和经济比较，选出性价比最高的方案。
　　关键词：变频器；调速；U/f控制；节能效果分析
　　
　　一、前言
　　变频调速技术是利用电力半导体器件的导通/关断作用，将工频电源变换为不同频率的电能控制装置，能实现对交流异步电动机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数,实现过流、过压、过载保护等功能。
　　就目前而言，电动机的用电量约占全球总用电量的60%，而交流异步电动机用电量又约占电动机总用电量的70%。对于需调速的交流异步电动机，选用变频器驱动是最好的实现办法。
　　目前，变频调速技术已广泛应用于工矿企业和人们的日常生活中，特别是U/f型变频器，不仅技术成熟、性能稳定，运行安全可靠，而且投入费用也越来越低。不但具有较好的调速性能，而且具有显著的节能效果。
　　二、变频器的工作原理和控制方式
　　1、变频器的工作原理
　　系统的负载特性不能依靠改变外加电气参数来改变,而只能通过改变电动机自身的电气参数来实现。由于电动机机械特性曲线是由电动机的多个电气参数决定的,改变这些电气参数,就可以得到不同的人为机械特性,从而可使新的人为机械特性曲线与负载特性曲线形成新的稳定交点,实现稳定的速度调节,这就是引入变频器驱动电动机来实现调速的基本原理。
　　电动机机械特性随电动机电气参数改变而改变，由于系统转动惯量的存在，转速不能突变，而是先由电动机电磁转矩的突变，破坏原有的转矩平衡，产生新的系统合转矩。该合转矩使系统加速或减速，直至系统转速过渡到新的稳定状态。这个加速或减速的过程叫做调速过程。
　　从电机学知道，交流异步电动机转速表达式为n＝60f1(1－s)/p，
　　式中n为异步电动机的转速，f1为异步电动机的频率，s为电动机转差率，p为电动机磁极对数。
　　可见，要调节异步电动机的转速，可以通过改变定子绕组的磁极对数p，改变供电电源的频率f，改变异步电动机的转差率s三种方法实现。其中，变极和变频调速都是高效调速方法，变极调速是有极调速，不能在整个调速范围内运行，变频调速是无极的、连续的。变转差率调速包括绕线式电动机转子串电阻调速、笼型电动机定子调压调速和液力耦合器调速等，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗了，所以是低效的调速方法。
　　实现变频的方式有两种，既交-交变频和交-直-交变频。
　　交-交变频是改变晶闸管导通控制角α，调节其直流输出电压：当α为90°时，输出电压为零；当α为0°时，输出电压最大。如果让α从90°逐步变化为0°，再用同样的时间回到90°，就得到从小到大再从大到小变化的输出直流电压；如果再反向并联一组同样的整流桥，也照相同方式控制,就得到一个交流波形的另一个半波。将2个整流桥合并,就得到一个新的、完整的交流电压值。由于控制角α是受控制的,输出的电压值大小也随之受控,调压过程即可实现。在控制角α变化时,变化速度的快慢可改变输出波形的周期,就实现了调频。
　　交-直-交变频则是在交-交变频的中间增加一个直流环节。首先将输出的交流电通过整流变成直流,再通过逆变器将直流电变成交流电,这样的变频器就称为交-直-交变频器。
　　交-直-交变频的直流环节中,若滤波元件为电容,由于电容两端电压不能突变,所以直流环节的电压比较稳定,相当于一个恒压源,这种变频器称为电压型变频器；若滤波元件为电感的,由于电感的电流不能突变,直流部分相当于一个恒流源,这种变频器称为电流型变频器。
　　2、变频器的控制方式
　　变频器的控制方式主要是针对频率、电压参数的适当变化控制,实现对电动机磁通和转矩的控制。目前市场上通用变频器常见的控制方式有U/f控制方式、矢量控制方式和直接转矩控制方式等三种。其中，最简单的是U/f控制方式。
　　（1）U/f控制方式
　　变频器调速的基本思想是同时配合调节加在电动机输入端电源的电压与频率。根据交流异步电动机同步转速公式n0＝60f1/p,电动机的磁极对数一定时，电动机的转速与电源频率成正比变化。因此,在电压和频率的函数中,频率是自变量,电压随频率变化而变化,这种方式就称为U/f控制方式。
　　根据电工学可知，三相异步电动机定子每相电路的电压方程为：
　　U(•)1=I(•)1R1+jI(•)1X1-E(•)1，…………（1）
　　其中U1为定子端电压，I1为定子电流，R1为定子电阻，X1为定子漏磁感抗，E1为定子感应电动势。
　　如忽略定子绕组的电阻和漏磁感抗，可得出:
　　U(•)1≈-E(•)1，E1=4.44f1N1φ≈U1，……（2）
　　其中f1为电源或定子电流的频率，N1为定子每相绕组的匝数，φ为旋转磁场的每极磁通。
　　三相异步电动机的转矩公式为:
　　T=PΦ/(2πn/60)，（3）和T=KTΦI2cosφ2，………（4）
　　其中T为电磁转矩；Pφ为电磁功率，n为转速，KT为常数（和电动机结构有关），Φ为旋转磁场的每极磁通，I2为转子电流，φ2为转子电流比转子电动势滞后角度。
　　所以，U/f控制方式有下列两种变频调速方式：
　　1）在f1＜f1N（f1N为额定频率）,即低于额定转速调速时，应保持U1/f1的比值近于不变，也就是两者要成比例地同时调节。由式（2）、（4）可知，这时磁通Φ和转矩T也都近似不变，这是恒转矩调速。
　　如果把转速调低时U1=U1N(U1N为额定电压)保持不变，在减小f1时，磁通Φ则将增加，这就会使磁路饱和（电动机磁通一般设计在接近铁心磁饱和点），从而增加励磁电流和铁损，导致电机过热，这是不容许的。
　　2）在f1>f1N，即高于额定转速调速时，应保持U1≈U1N。这时磁通Φ和转矩T都将减小。由式（3）可知，转速增大，转矩减小，将使功率近于不变。这是恒功率调速。
　　如果把转速调高时U1/f1的比值不变，在增加f1的同时U1也要增加。U1超过额定电压也是不允许的。
　　实际上定子电阻R1是客观存在的,根据欧姆定律,有电阻必然有电压降。频率下降时,式（1）右边的第3项等比例下降，但同样定子电流下的定子电阻压降不变,要保持电压和频率的比值为定值,只能是电动机端电压下降比例要小于频率下降的比例；特别是当频率f1下降太多时,定子电阻R1上分得的电压就越多,磁通就不再恒定,即在低频时出现衰减,其结果造成启动困难,启动加速度低。弥补该方式不足的方法是采取低频下的电压补偿，需要补偿的是定子电阻R1和定子漏磁感抗X1产生的电压分量,而定子电流是变化的,定子漏磁感抗又随频率变化,如何确定该补偿电压值是很困难的。不同的变频器厂家采用的算法不同。尽管有了电压补偿,U/f控制方式仍不适合在极低频率下运行。
　　U/f控制方式思路简单,附加要求少,控制容易,但急加、减速或负载过大时,容易引起电流能力不足,调速范围窄；同时,由于不能精确控制电动机的实际速度,常用于对速度精度要求不是很高和负载变动不大的场合。
　　（2）矢量控制方式
　　直流电动机的调速性能十分优越，这是因为直流电动机的磁通由定子绕组和转子绕组分别激励,使磁通和转矩能分别控制,从而使得直流电动机具有对转矩良好的控制能力。矢量控制的指导思想是采用直流电动机的调速方法，将交流异步电动机定子电流分解成励磁分量和转矩分量,分别进行控制,然后再通过恰当算法变换最后合成对变频器相关量的控制信号。
　　交流异步电动机由空间上三相等分布的绕组励磁组成,三相绕组激励出三相磁场。矢量控制方式将异步电动机三相交流参数连续进行坐标变换和旋转变换，变换成为等效的直流参数。再将以上2种变换进行逆变换,从而得到相应的三相交流参数,再用这些参数去控制交流电动机。通过连续2次变换和逆变换,实现定子电流中励磁与转矩2个分量的分离,实现分别控制。
　　（3）直接转矩控制方式
　　直接转矩控制方式主要被ABB公司所采用。它是不同于矢量控制方式的另一种高性能控制方式：它也是分别控制电动机的转矩和磁链,不过该方式不是选择转子磁链,而是以定子磁链作为被控对象,通过建立定子磁链和转矩的数学模型,实时检测磁通幅值和转矩值,分别与给定值比较,获得定子磁链和转矩的反馈值,将该反馈值控制逆变电路,即利用逆变电路的开与关状态切换来实现对磁链和转矩的直接闭环控制。
　　矢量控制方式和直接转矩控制方式都是高性能控制方式,前者的稳定性能优于后者,后者的动态性能优于前者,两者的差别不大,稳定性能均能满足实际应用要求。
　　三、风机变频调速节能分析
　　1、风机拖动系统的特点
　　风机按工作原理的不同，可以分为叶片式和容积式两大类。叶片式风机又可以分为离心式风机、轴流式风机、混流式风机和横流式风机；容积式风机又可以分为往复式风机和回转式风机。
　　风机的基本性能参数表示风机的基本性能，风机的基本性能参数有流量、全压、轴功率、效率、转速、比转速6个。
　　风机电动机的轴功率为P=Qp/(ηrηf)，（5）
　　其中Q为风机风量（m3/s），p为风机全压（kPa），ηr为传动装置效率，ηf为风机效率。
　　风机电动机的计算功率为Pd=Qp/(ηrηfηd)，（6），
　　其中ηd为电动机效率。
　　风机的特性曲线就好像是人的身份证，其中包含了风机的所有信息。离心式风机一般采用进口导叶调节，轴流式风机一般采用叶片调节。风机的特性曲线呈梳状，随着叶片开大，风机的出口风量和风压都沿阻力曲线增大。风机的叶片角度与风量之间的关系是非线性的，离心式风机在不同叶片角度时的特性曲线之间的间隙时不均匀的，也就是说其线性度很差；而轴流式风机在不同叶片角度时的特性曲线之间的间隔是比较均匀的，也就是说其线性度较好。风机的效率曲线是一组闭合的椭圆。在风机的特性曲线图中画一条阻力曲线，与不同叶片角度的特性曲线的交点即为不同叶片角度时的工作点，由各个工作点可读出风量值、风压值和风机效率值，并以此作为节能计算的依据。
　　叶片式风机的负载特性属于平方转矩型，其轴上需要提供的转矩与转速的平方成正比。风机在满足三个相似条件（几何相似、运动相似和动力相似）的情况下遵循相似定律。对于同一台风机，当输送的流体密度ρ不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：风量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。风机转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出。由于风机转速变化不低于20%额定转速时，风机效率基本保持不变，可将风机的叶片安装角固定在高效区，而通过改变风机的转速达到控制风量的目的，风机将在很大的范围内维持高效运行，从而达到节能的目的。
　　2、矿井主通风机概况
　　矿井主通风机在煤矿生产中有着重要的地位，就好比煤矿“呼吸系统”的中枢，必须24小时不间断运行。大型矿井的服务年限大多在几十年以上，根据反风及开采后期运行状况要求来确定的主通风机及拖动电动机的功率通常远大于煤矿长期开采所需的正常运行功率，在相当长的时间内主通风机一直处在较低负载下运行。为了满足煤矿生产中所需风量风压在不同阶段的不同要求，煤矿通风机通常采用以下几种方式调节煤矿主通风机：1）阀门调节、2）改变通风机转速、3）改变前导器叶片角度、4）离心式通风机调节尾翼摆角、5）轴流式通风机改变动叶角度、6）轴流式通风机改变动叶数目、7）轴流式通风机改变静叶角度。
　　其中以阀门调节效率最差，它是人为的改变阻力曲线，增加风阻。前导叶片角度调节和尾翼摆角调节效率比阀门调节高。改变动叶安装角和动叶数目，可改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的。而通过改变通风机的转速，使其在最佳工况点运行，节能效果最好。
　　此外，风机在小流量时有可能发生喘振现象，变频调速可以避免这种现象的发生。主通风机采用直接起动时，起动时间长，起动电流大，对电动机的绝缘有很大威胁，严重时甚至烧毁电动机。高压电动机在起动过程中产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机的使用寿命。而变频调速是目前最好的软起动方式。
　　3、动叶可调轴流式风机采用变频调速的节能计算
　　某煤矿小庄回风立井采用2台ANN-3392/1600B型矿用轴流式通风机，1台工作，1台备用。每台通风机配1台Y800-6型高压三相异步电动机（3600kW、10kV、990r/min）,风机叶片调节方式为动叶可调。小庄回风立井通风系统工作特性曲线图见图1。
　　
　　图1小庄回风立井通风系统工作特性曲线图
　　
　　如果电机效率按0.96计算，变频器效率按0.95计算，由式5、式6可知，初期工频运行时电动机轴功率为729.3kW，计算功率为759.7kW；改为变频运行时，叶片角度调整为55°，改变转速使风机效率达到79%，电动机轴功率为590.8kW，计算功率为647.8kW，节省电功率为111.9kW，节电率为14.7%，年节电量为980244kWh，年节约电费为（按0.6元/度计）58.8万元。
　　四、变频调速系统的优缺点
　　变频调速系统的主要优点是：
　　（1）可实现平滑的无极调速且调速精度高。
　　（2）调速效率高。变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。
　　（3）调速范围宽。一般调速范围可达10:1（50～5Hz）或20:1（50～2.5Hz），并在整个调速范围内具有较高的调速装置效率，适用于调速范围宽且经常处于低转速状态下运行的负载。
　　（4）功率因数高，可以降低变压器和输电线路的容量，减少线损，节省投资。
　　（5）必要时，变频装置可以退出运行，改由电网直接供电。如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响风机的继续运行；又如在接近额定频率范围内工作时，由于变频装置调速的经济性并不高，变频器可退出运行，由电网直接供电。
　　（6）变频装置可以兼作软启动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续平滑加速直至全速运行，减少电网的电流冲击及设备的机械冲击，延长设备使用寿命。变频器是目前最好的软起动设备。
　　变频调速系统的主要缺点是：
　　（1）目前，我国大功率电动机供电电压高（3～10kV），而功率开关器件耐压水平不够，造成电压匹配上的问题。
　　（2）目前，高电压、大功率变频调速装置技术含量高、难度大，因而投入也高（尤其是200～500kW），而一般风机、水泵节能改造都要求低投入、高回报，从而造成经济效益上的问题。
　　（3）因电流型变频器输出电流的波形和电压型变频器输出电压的波形均非正弦波形而产生高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响。如使电动机附加损耗增加、温升增高，从而使电动机的效率和功率因数下降，出力受到限制，噪声增大以及对无线电通信干扰增大等。同时，高次谐波会引起电动机转矩产生脉动，可能产生共振现象。因此，变频装置应避免在共振点附近运行。如采用多重化技术的电流型和电压型变频器，其输出波形大为改善，高次谐波大大减少，这个问题可以得到很大改善。
　　五、结束语
　　变频调速技术不仅有较好的调速性能，而且有显著的节能效果。但变频调速的使用和节能效果都是有一定条件的。一是恒转矩、平方转矩的交流异步电动机；二是有轻载调速的要求，可以在50Hz以下运行；三是变频器与电动机长期连接运行；四是与机械运行特性有关。不需要调速或调速不能满足产品的要求就不必装设变频调速器。
　　积极推广变频调速技术的应用，改善运行性能，提高节能效果是很有必要的，但要加强科学宣传、引导和管理，避免盲目泛用。
　　
　　参考文献：
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《变频调速在矿井风机中的节能效果分析》

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