SWdrive-MV系列高压变频器在罗茨风机上的应用与研究

 1、变频技术与其它调速节能技术的比较

　　根据交流异步电动机的转速公式 ：

　　试中：f——电源频率（Hz）；p——电机的极对数；s——转差率

由此可见，交流异步电动机的基本调速方法有三种：改变电机的极对数p、转差率s及电源频率f。为满足现场运行参数（流量、压力、转速等）的需要，除了传统的齿轮调速及液耦调速装置外，并针对不同的调速原理，从电机学的角度，目前市场上也推出了不同的调速装置：1）变极电机；2）高压斩波内溃调速装置；3）高压变频调速装置；4）电磁调速装置。所有这些调速方法，在工业上均得到了不同程度的应用。但因为节能降耗的客观要求，其中对节能降耗有重大意义的高压变频和斩波内溃装置近年来获得了长足的发展，其技术不断完善，节能效果也相当显著。据统计，如果以调速传动代替原有的恒速传动，通过改变转速来调节流量和压力，取代传统的用风挡板和阀门调节的方法，平均可节约电力30%左右，估计全国全年可节电数百亿度。根据目前市场上的应用普极程度及发展潜力，本文仅对高压变频及高压斩波内溃两种调速原理进行分析比较。

2、高压变频调速节能原理

　　高压变频器是在低压变频器已成功应用的基础上发展起来的，从功率控制角度来讲，高压变频调速是典型的控制定子电磁功率从而间接控制转子电磁功率的调速，进而实现了异步电机机械功率控制，达到调节转速的目的。其功率控制原理是根据V/f曲线原理，通过改变频率来适用相应电压。

　　一言以概之，高压变频器的节能原理就是：改变风机的转速来实现对风机的风量调节。根据风机相似理论：

    

　　式中：Q—风机流量； H—风机全压；n—转速；P— 轴功率。

　　风量Q与电机转速n成正比，Q∝n；风压H与电机转速n的平方成正比，H∝n2；轴功率P与电机转速n的立方成正比，P∝n3。 可见电机转速对其轴功率的影响是相当大的。

　　传统上对风机风量的调节，是通过改变管网特性即改变风门开度来实现，风机保持恒转速运转，通过调速风机档板的开度，管网的特性参数将发生变化，输出流量发生变化，这样就达到了在定速运行时调节风机输出流量的目标。因为在工程建设过程中，风机及其电机的选型要考虑到最大出力并留有一定的裕度，因而运行中风机的实际出力比起设计值来说偏小很多，调节风门的开度一般都小于40%，从而在档板上消耗了大量的无效轴功率，极大地降低了风机的转换效率，浪费了大量的能源。

　　高压变频器则是通过改变风机的转速来实现对风机的风量调节从而达到节能的目标，这种方法不必对风机及其电机本身进行改造，转速由外部调节，风机档板可处于全开位置保持不变，并能实现无级线性调节风量，完全消除风机挡板造成的节流损失。

3、节能效果

北京国电四维清洁能源技术有限公司生产的Swdrive-HV10/600变频器应用于乌海德晟煤焦化厂罗茨风机。由于每台高压变频器在出厂前均经过实际风机负载的整机出厂检验和调试，在现场的调试又可以在没有高压输入的情况下调试，因此在经过约一周多的施工、安装和调试后，上电试验和试运行进行顺利，一次投运成功，高压变频器一直持续稳定运行。

根据生产情况，风机运行30HZ左右就能满足了生产工艺要求;运行转速在额定转速的60%左右，完全满足了工况运行。

变频改造后节能效果显著，与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动机能耗大大降低，节约电量可达37%。特别是机组低负荷运行时，效果更显著。以下为节能效果估算：

节能估算条件：是在同一时间段内进行比较，相同生产条件需求下，同一段母线上的两台罗茨风机，1#罗茨风机工频运行，2#罗茨风机变频运行，两台电动机进行比较节能估算。首先8月份是正常生产时期，8月开始投入变频至今， 1#电动机耗电能有功功率平均在362KW，投入变频运行后2#电动机耗电能有功功率平均在230KW。以上数据不难看出投入变频后确实起到节能。另外，无功功率也从原来的平均276KVar降到平均为83KVar左右，大大改善了系统的无功补偿。

根据以上数据计算，由于生产使用自备发电，以0.386元/kWH的成本价电费，按以下计算公式计算，年节电效益:年节电效益=(工频时平均功率-变频时平均功率)×天运行小时数×年运行天数×电费单价，结果如下：

　　(362kW-230kW)×24小时/天×300天/年×0.386元/kWH=36.69(万元/年)。

　　按照保守的计算方法，每年可节电费近37万元，具有明显的经济效益。本次罗茨风机配套用风光牌高压变频调速系统改造成功后，由于实现了频率的远方调节和状态监控，产品运行可靠、稳定，大大地改善了系统工艺，该公司决定二期工程再购买我们公司高压变频调速系统用于罗茨风机配套电动机。　

4、其他效益

7.1 该罗茨风机由于采用变频控制，可对风量进行精确控制，而且与阀门控制相比更直观、方便调节风机风量来满足生产需要;

7.2 由于采用了变频技术，电机实现软启动，不存在启动电流冲击;原来没有使用变频器时电机直接启动，启动电流高达200-300A，对电机或电网都具有不利的影响。现在使用变频器软启动，启动电流不高于额定电流46A,减少了风机出口压力瞬间提高对风机的冲击，从而延长了风机和其他设备的使用寿命;

7.3 由于风机转速降为原来的60%，大大减少了风机管道振动频率和噪声，延长风机、电机轴承的机械寿命，减少了设备的维护量。

7.4 由于旁通阀门几乎不操作，减少了风道的振动与磨损腐蚀，提高了机械寿命。　　

5、 变频改造总结

根据针对该项目的变频改造经验以及同类其他项目的实践结果，总结出国电四维高压变频器改造具有以下优点：

(1)安装简单。变频器安装在高压开关柜和电机之间，对原有接线改动不大。

(2)操作简单。直观的中文人机界面，设备具有开机、停机和频率调整等操作。

(3)调速平滑。能够进行无级调速，调速范围宽，并且调速精度高。

(5)节电明显。根据工况要求，变频器一般运行在27Hz左右，实际输入电流不到额定电流的一半，节电率高达37%以上。

(6)噪音降低。由于电机运行于较低转速上，运行噪音大大降低，电机的发热量也有明显下降。

(7)保护完善。变频调速系统具有完善的保护功能，降低了电机运行中的故障率，并且启动平稳，启动电流小，对电网的冲击量小，大大提高了可靠性。输出谐波小。变频器输出符合IEEE STD 519 1992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB/T14549-93对谐波失真的要求，不需要采用输出电抗器。

(8)具有星点漂移功能。三相输出采用单元串联结构，在运行中，如果有任意三个单元以内出现故障，变频器本身会自动旁路，同时变频器主控系统具有星点漂移功能，使三相输出线电压保持平衡，不会对电动机造成不利影响。

6、结束语

从现场运行情况来看，北京国电四维清洁能源技术有限公司生产的高压变频器性能优越，运行可靠，有效地降低了生产成本，在生产材料成本日益增长的今天，通过有效的节能改造，具有明显的经济效益。