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1、交流变频调速的发展及应用交流变频调速的发展及应用1 引言交流电机变频调速经历近 20 年的发展及应用，已逐步被人们接受并成为当代电机调速的主流。由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，它优于以往的任何调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合调速等，因而深受钢铁、有色、石油、石化、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。由于交流笼型电机没有直流电机的滑环和炭刷，极大的提高了系统可靠性和扩大了应用领域，它逐渐地替代直流调速，如上海宝钢一
2、期工程和二期工程，几乎全是直流调速，而三期工程全为交流变频调速。这是对交流变频调速认识的升华。如果说我国变频器的研究和生产是从天传所(电压型)、西整所(电流型)、大连电机厂(最早引进东芝技术)开始，那么，日本三垦(1984 年)、日本富士(1988 年)变频器的进入直接刺激了我国变频器行业的发展。20 年来，不但有日本三垦、富士、美国罗宾康、德国西门子、欧洲 ABB 等外国公司进入中国市场并在中国建厂。还有象普传、佳灵、利德华福、英威腾、微能等 70 多家国产变频器厂家进入市场。已经形成了令人瞩目的变频器行业，政府规划、节能论坛、各种展览会都少不了变频厂家的参与。今日的变频器，已由压频控制发展
3、到动态矢量控制和直接转矩控制等高性能控制，优点很多，如:转矩大。0 频率时，转矩输出 100%，0.5Hz 时，转矩输出 200%，对吊车、港机、搅拌机、转炉倾动、高炉卷扬等重负载设备意义重大;高速 CPU 不但能测定负载的最佳控制电压和电流矢量，还能快速响应急变负载和及时检知瞬时功率，实现最短时间内平稳地加减速;控制精度可达0.02%，并具有 010V，420mA，RS485 接口，可以和计算机，现场总线通讯。另外还具备软启动功能，瞬时停电自动再启动功能，跳跃共振频率点功能，在线自整定功能，多种保护功能等。更为重要的是:由于变频器生产规模化，变频器价格大幅降低，如风机、泵类所用 55kW 变
4、频器市场价 18000 元，160kW 52000 元左右，280kW 90000 元左右，平均 320350 元/kW，如果系统的节电率是 30%，半年内可收回投资，如果节电率为 50%(不少负载有这个可能)，二个月收回投资，该是缓解电力供应紧张，利国利民的好技术。由于变频器价格的降低，使得其它调速技术很难同变频器竞争，价格性能比的优越，使得变频调速极具市场潜力，毫无疑问，它将成为电机调速的主流，电气传动的中枢。有人曾设想，将变频器的价格做到同电机差不多，我想这一天有可能到来！因为现在低压 160280kW 变频器价格已经接近 300 元/kW。而变频器的核心，电力电子器件、微电子器件，信息
5、技术的价格也在走低。这一天有可能到来。我从事变频器市场工作 20 年，从买卖关系来说，我接触过许多国外公司代表和国内用户，从技术角度来说我向许多老师学习并参加了逾百场的年会、论坛、研究会、展览会等，看到了如下事实:(1) 在我国已形成了变频器理论和生产的专家队伍。(2) 设计院、所已把变频调速作为新厂建厂和老厂设备改造的必备技术。(3) 有上百家变频器的生产厂和几百家从事变频器二次开发的公司，他们提供变频器的基础产品。(4) 有一个博大的变频器市场和技术熟练的应用变频器电气工程师。让我们回顾一下近 20 多年调速领域变化，这是惊人的。过去自来水公司习惯使用的串级调速，现在已为变频调速，如走在前
6、面的北京水源九厂、深圳梅林水厂等。过去电厂使用的液力耦合器调速,现在受到变频调速的冲击。大庆新华电厂在 20 万机组的二台引风机上开了头，现在东北、广东、山东、河南电厂上了不少大型变频调速装置。过去钢厂直流调速的转炉改为变频调速;转子串电阻调速的高炉卷扬改变为变频调速等。炼油厂蒸馏、裂解、催化、加氢等工艺泵，采油厂集输油的输油泵、大型输油管道，均采用变频调速。化工、制药的搅拌也由定频、变极调速改为变频调速。石家庄华曙制药厂一次用 10 台 315kW 变频器拖动搅拌机。接近我们生活的高速电力机车、汽车、电梯、音乐喷泉、冰箱、洗衣机、印刷设备、空调等，采用变频控制的越来越多。交流电机变频调速技术
7、发展迅速，好似一夜之间，已花开满园了。抚顺石油一厂林功尊厂长语重心长的对我说:“王总，我们厂变频改造基本结束，我虽然不能再支持你，但变频这项技术千万不要扔掉，变频技术真是个好技术！”2 应用实例变频调速好在哪里？举一些工矿企业应用变频的例子，可以说明这个问题。2.1 空调类负载写字楼、商场和一些超市、厂房都有中央空调，在夏季的用电高峰，空调的用电量很大，在炎热天气，北京、上海、深圳空调的用电量均占峰电 40%以上。今年深圳市 5 月 31 日电网最高负荷达到 590 万 kW，5 月 13 日当天用电量达到 1.1392 亿 kWh。空调用电占了很大比例。因而用变频装置，拖动空调系统的冷冻泵、
8、冷水泵、风机是一项非常好的节电技术。目前，全国出现不少专做空调节电的公司，其中主要技术是变频调速节电。北京丽都假日饭店动力中心是一个集中供冷、供热的工厂，安装有 20t/h 蒸汽锅炉 3 台，300 万大卡溴化锂制冷机 4 台，负责对动力厂周围的丽都假日饭店、燕翔饭店、新万寿宾馆、国际学校、日本学校、德国学校及丽都饭店宿舍、托儿所、公园等涉外饭店、宾馆、公寓、学校的供热、供冷，供热面积达 30 万 m2，供冷面积达 20 万 m2。91 年，对水泵制冷机、引风机采用变频控制，节电明显，一般在 3060%，年节电 17.5 万 kWh,优于其它调速方式。广州市鸣泉居度假村在冷热水、喷泉等设施上采
9、用了变频调速控制。2.2 风机类负载风机类负载，系量大面广设备，钢厂、电厂、有色、矿山、化工、纺织、化纤、水泥、造纸等行业应用较多。多数采用调节档板开度来调节风量，浪费大量电能，采用变频调速，即可节电，又减少机械磨损，延长设备寿命。大庆新华电厂 200MW 发电机组，锅炉引风机为 1250kW，6kV 两台。1998 年采用变频调速技术拖动高压引风机，是我国电厂大型机组首次采用变频调速，经黑龙江省电力科学院测试考核:发电机组在额定工况下(有功负载200MW)与原来未用变频拖动相比，由原来的 1790.4kW 下降了 28.02%，在有功负荷80MW180MW 间运行分别下降了 31%56.3%
10、。石家庄炼油厂 65t/h 中压锅炉引风机采用变频调速后，年节电 67 万 kWh，节电率为 67.7%，锅炉燃烧率提高 1.6%，节省燃料油989t。2.3 泵类负载泵类负载，量大面广，包括水泵、油泵、化工泵、泥浆泵、砂泵等, 有低压中小容量泵, 也有高压大容量泵。茂名石化公司炼油厂从 1990 年开始先后在蒸馏、裂解、催化、加氢、糠醛、酮苯等 20 多条生产线上使用 161 台变频调速装置。变频器总功率达8091kW。1990 年 10 月至 1992 年 2 月对其中 30 台泵进行测试，在同样工艺条件下，采用调节阀控制电耗为 999.9kWh,而采用变频调速电耗为 396.7kWh,节
11、电 603.2kWh，节电率60.3%。采用变频控制时，电机和泵的转数下降，轴承等机械部件磨损降低，泵端密封系统不易损坏，机泵故障率降低，维修工作量大为减少。94 年后,该厂又采用 14 套 6kV 大容量变频装置，节电 40%到 70%。1995 年 11 月 14 日中国石化报第一版“茂名石化公司炼油节能跃居同行业前面”文章称“仅通过变频调速技术一年就节电 2000 万 kWh” 。许多自来水公司的水泵、化工和化肥行业的化工泵、往复泵、有色金属等行业的泥浆泵等采用变频调速,均产生非常好的效果。2.4 压缩机类负载压缩机也属应用广泛类负载，低压的压缩机在各工业部门都普遍应用，高压大容量压缩机
12、在钢铁(如制氧机)、矿山、化肥、乙烯都有较多应用。采用变频调速，均带来启动电流小、节电、优化设备使用寿命等优点。如中国石化总公司在石化生产工艺中推广熄灭火炬、消灭常明灯、资源再利用的工作中，即采用变频器拖动压缩机，使气体的压力、流量得到平稳的控制。如天津石化公司采用变频器后，运行电流由 100A 降至 50A,节电 50%。再如钢铁生产过程中的混合煤气加压机，它是将来自高炉和焦化的煤气混合后加压，由 2500Pa 左右升高至 8500Pa，以供给轧钢、烧结等煤气负载。加压机的出口压力必须保持稳定，否则会出现废品甚至事故，而以往一般采用手动“打回流”和增开/减开加压机组的办法来调节加压机的出口压
13、力。不仅浪费大量的能源，而且也不能保证压力恒定。涟源钢铁公司动力厂采用变频调速自动调节方案，通过压力闭环实时调节加压机电机的转速，从而保证加压机出口压力的恒定。提高了设备的综合效率。2.5 轧机类负载在冶金行业，过去大型轧机多用交-交变频器,近年来采用交-直-交变频器，轧机交流化已是一种趋势。尤其在轻负载轧机，如宁夏民族铝制品厂的多机架铝轧机组采用通用型变频器，满足低频带载启动，机架间同步运行，恒张力控制，操作简单可靠。2.6 卷扬机类负载卷扬机类负载，采用变频调速，稳定、可靠。铁厂的高炉卷扬设备是主要的炼铁原料输送设备。它要求启、制动平稳、加减速均匀、可靠性高。原多采用串级、直流或转子串电阻
14、调速方式，效率低、可靠性差。用交流变频替代上述调速方式，可以取得理想的效果。安阳钢厂、邢台钢厂、新余钢厂对其 300m3 高炉卷扬设备控制系统采用变频加制动单元和制动电阻取代原直流或转子串电阻调速方式，精度高、运行平稳、机械特性硬、料车停车位置准确，杜绝了掉道事故，减轻了工人劳动强度，降低了噪声，节电且增产，多年使用未出现故障，效果显著。2.7 转炉类负载转炉类负载, 用交流变频替代直流机组简单可靠，运行稳定。1994 年 5 月 1 日，承德钢铁公司炼钢厂三套 20 吨转炉直流拖动系统全部处于故障状态。拟寻求一个“又快又好”的恢复生产的调速方式，请来了我国电气传动专家刘宗富教授。在刘教授的建
15、议下，由该公司经理定案，20 吨转炉倾动和氧枪升降采用交流变频调速拖动。从供货到安装、调试，经过13 天，三台转炉全部正常投入生产。这是我国 20 吨转炉倾动和氧枪升降第一次采用变频调速。经过多年的生产应用，该系统运行稳定可靠，技术指标完全满足工艺要求。转炉、氧枪主传动系统引起的热停工减少 90%以上，年增产 1.5 万吨钢，节电 22 万 kWh，直接经济效益 231 万元。为钢厂以后稳定生产打下坚实的基础。该系统 1995 年通过机械工业部鉴定，并被河北省评为技术进步一等奖。2.8 辊道类负载辊道类负载，多在钢铁冶金行业，采用交流电机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。鞍钢是我国钢铁行业的
16、老大哥, 对国家做过很大贡献，但其生产设备远不如宝钢和武钢, 设备改造的任务很重。93 年，鞍钢中型厂后道工序改造，采用 57 台变频装置拖动 512 台交流电机并和 PLC 接口，产生良好的效果。调速精度高，提高了产品质量，设备可靠性高，保证了生产的连续性，提高了产品产量。由于变频制动效果好，省去了机械制动闸。由于速度连续可调，省却了大量减速机装置，同时改善了生产环境，消除了噪音。单节电一项，一年半就可收回全部变频装置的投资。变频器应用于辊道类负载，可以采用一台变频装置带多台笼式电机的技术。2.9 大型窑炉煅烧炉类负载冶金、建材、烧碱等大型工业转窑(转炉)以前大部分采用直流、整流子电机、滑差电机、串级调速或中频机组调速。由于这些调速方式或有滑环、或效率低，近年来，不少单位采用交流变频控制，效果极好。株州冶炼厂锌浸出渣挥发回转窑是回收锌的主体设备，共有三台。窑外径 2.8m，长 44m，原用正流子电机和滑差电机拖动，故障多，经常跳闸，维修量极大。由于现场环境恶劣，导电尘埃多，电机火花不断。刷握、碳刷不断更换，90 年小修 56
