電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的設(shè)備,應(yīng)用量多、使用范圍廣的高耗能動(dòng)力設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中據(jù)統(tǒng)計(jì),我國的總裝機(jī)容量約為4億千瓦,年耗電量約為6000億kwh,約占工業(yè)用電的70%—80%。我國以中小型電機(jī)為主,約占80%,而中小型電機(jī)耗損的電量卻占總損耗量的90%。電機(jī)在我國的實(shí)際應(yīng)用中,同國外相比差距很大,機(jī)組效率為75%,比國外低10%;系統(tǒng)運(yùn)行效率為30%—40%,比國際先進(jìn)水平低20%—30%。因此在我國中小型電機(jī)具有極大的節(jié)能潛力,推行電機(jī)節(jié)能勢在必行。
1 電動(dòng)機(jī)的工作原理
三相異步電動(dòng)機(jī)定子鐵芯上按一定的規(guī)律均勻布置著三組繞組,接通三相電源時(shí)定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條,導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,在感應(yīng)電動(dòng)勢的作用下,閉合導(dǎo)條中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,旋轉(zhuǎn)磁極的磁場對該電流作用,產(chǎn)生電磁力,轉(zhuǎn)子便產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,順著旋轉(zhuǎn)磁極方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度和旋轉(zhuǎn)磁場速度相同時(shí),導(dǎo)條不發(fā)生相對切割,而沒有力的作用,導(dǎo)致永遠(yuǎn)趕不上旋轉(zhuǎn)磁場速度而叫異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),可靠,結(jié)構(gòu)簡單,結(jié)實(shí)耐用,便于制造,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)使之廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
單相異步電機(jī)一般有兩副或四副繞組,通過電容移相,把相位相差90°,從而產(chǎn)生脈動(dòng)磁場,使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來,但與同容量的三相電動(dòng)機(jī)相比較,體積較大,運(yùn)行性能差,效率低。因此,只制造成小功率系列。
2 變頻調(diào)速的工作原理
變頻器是將固定頻率的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電,由三相交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=(1-s)60f/p可知,調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s和磁極對數(shù)p和改變頻率f,一個(gè)量或者多個(gè)量變化時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化。
2.1 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速
1)給異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子引入其他電動(dòng)勢來調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稱為串級(jí)調(diào)速,引入電動(dòng)勢的方向與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢不同或相同,但頻率相同,通過改變引入電動(dòng)勢的大小可改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。2)給繞線異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻來調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,引入電阻越大,轉(zhuǎn)速越低。上述兩種方法沒有改變同步轉(zhuǎn)速,只改變轉(zhuǎn)差率,原因在轉(zhuǎn)子回路的電流發(fā)生了變化,從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變而引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。3)給電動(dòng)機(jī)的電源電壓發(fā)生改變,同步轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變,但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩因電壓的降低而降低,使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而降低。
2.2 改變磁極對數(shù)調(diào)速
磁極對數(shù)的改變直接使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變,但電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)只能是正整數(shù),所以不能無級(jí)調(diào)速。
2.3 改變頻率調(diào)速
通過改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。由上述都可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變,轉(zhuǎn)差率調(diào)速一般會(huì)有效率低、發(fā)熱、平滑性差等缺點(diǎn),而變頻調(diào)速恰好可以改變這些,使得電動(dòng)機(jī)效率高、性能好、無級(jí)變速等。
3 變頻調(diào)速的特點(diǎn)
1)保護(hù)功能完善。具有過載、過流、過電壓和欠電壓等功能,在這些保護(hù)中,保證負(fù)載在正常情況下避免出現(xiàn)故障而引起的電能浪費(fèi)。
2)控制功能簡單。具有面板、外部兩方面整體控制,正反轉(zhuǎn)、多段速、外部信號(hào)給定等,使其操作簡單,效率提升。
3)參數(shù)設(shè)置多樣化。加減速、制動(dòng)、頻率跳變、程序運(yùn)行等,從根本上調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等,減少對電網(wǎng)的沖擊,能量的浪費(fèi)。
4)控制方式多樣。
①U/f控制,在實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的同時(shí)改變電壓,這樣,在不損壞電動(dòng)機(jī)的情況下,利用鐵芯發(fā)揮轉(zhuǎn)矩的能力,補(bǔ)償電壓的大小可調(diào)節(jié),便可應(yīng)用于不同負(fù)載。②矢量控制,該控制使電動(dòng)機(jī)有很硬的機(jī)械特性,有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
4 變頻器調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益
我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長了25年。黨的十六大提出2020年全面建成小康社會(huì)的目標(biāo),要求GDP年均增長7.2%,這在世界工業(yè)化國家中是前所未有的,是人類歷史上空前的社會(huì)實(shí)踐。2005年,國內(nèi)生產(chǎn)總值已達(dá)到182321億元,經(jīng)濟(jì)總量已達(dá)到22 500億美元(按匯率),占世界第四位,國內(nèi)生產(chǎn)總值、工業(yè)增加值、固定資產(chǎn)投資都在高速增長,但在增長的同時(shí)也要減少損失,通過變頻調(diào)速系統(tǒng)后,節(jié)能效果使經(jīng)濟(jì)效益得到全面提高。
4.1 故障率的減少提高經(jīng)濟(jì)效益
在直流系統(tǒng)中,調(diào)速性能好,但故障多。1)每次在加工中零件的損失。2)修理過程中耽擱的時(shí)間造成的損失。3)本身修理的損失等。
4.2 設(shè)備壽命的延長提高經(jīng)濟(jì)效益
1)有些設(shè)備全速運(yùn)行時(shí)阻矩大,摩損嚴(yán)重,使用變頻調(diào)速后,運(yùn)行平穩(wěn),磨損大大減少,壽命延長。2)在電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)和停止過程中,設(shè)備沖擊大而使壽命減少,變頻調(diào)速后啟動(dòng)停止過程得到改善而使壽命延長。3)在水力管網(wǎng)中,水泵直接控制而導(dǎo)致水錘效應(yīng)減少水泵和管網(wǎng)的壽命,變頻的恒壓控制使壓力變化平穩(wěn)而提高壽命。
4.3 質(zhì)量的提升提高的經(jīng)濟(jì)效益
1)變頻器無極調(diào)速能使質(zhì)量提升。2)接受反饋能使質(zhì)量提升。3)檢測的準(zhǔn)確是質(zhì)量提升。
節(jié)能是我國的基本國策其中之一。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開能源,能源的緊缺是世界性問題。
近20年來變頻調(diào)速的發(fā)展,普及應(yīng)用大約10年的時(shí)間,在這期間,變頻調(diào)速在節(jié)能中發(fā)揮著重要的作用,已成為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速必不可少的控制方式,所以節(jié)能貫穿于以后的經(jīng)濟(jì)生活當(dāng)中,如軋鋼、紡織、空調(diào)、洗衣機(jī)等,在各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。