據有關(guān)資料統計，泵類(lèi)和風(fēng)機負載的耗電量約占國內總發(fā)電量的1/2 以上，用于泵和風(fēng)機的交流感應電動(dòng)機是主要的電力負荷。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝過(guò)程的各種要求，許多用交流電動(dòng)機拖動(dòng)的生產(chǎn)機械需要調速運行，通常采用機械調速或電氣調速方式。機械調速有機械變速箱、摩擦傳動(dòng)、液力傳動(dòng)、液力耦合器等調速裝置，電氣調速有調壓調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串級調速、變頻調速等調速裝置。與機械調速相比，電氣調速以其優(yōu)良的調速性能、方便的調節手段、較高的電能利用率等特點(diǎn)而在生產(chǎn)設備中得到了廣泛應用。
近十幾年來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現代控制理論的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻調速以其效率高、調速范圍大、調速精度高、特性硬、無(wú)級調速等優(yōu)點(diǎn)，在各種交直流調速系統中，尤其是節能技術(shù)改造中的應用面正在不斷擴大，應用也從簡(jiǎn)單的節能向改進(jìn)工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的綜合型方向發(fā)展。在設計實(shí)施過(guò)程中，經(jīng)常遇到的問(wèn)題是使用變頻調速是否節約能源，能否滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求等。本文通過(guò)分析變頻調速技術(shù)節能與負載特性的關(guān)系，具體以供水系統為例，闡述節能與工藝的關(guān)系，同時(shí)給出了一些定量計算值。
1 、變頻調速技術(shù)的節能原理與負載關(guān)系
據統計，國內每年的發(fā)電量有一半消耗在電機上，其中絕大部分的電機為結構簡(jiǎn)單、方便實(shí)用、維修量很少的鼠籠式電機，例如各種泵用電機、制冷式壓縮機用電機、多功能天車(chē)、加料小車(chē)傳動(dòng)電機、各種輸送設備用電機等。由于技術(shù)上的原因，在20 世紀80 年代前對較大功率的鼠籠式電機（幾個(gè)kW 以上）進(jìn)行調速控制一直是人們夢(mèng)想的事情。近20 年來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展與自動(dòng)控制理論的進(jìn)步，采用變頻調速技術(shù)的通用型變頻調速裝置（VVVF）的價(jià)格大幅下降，在很多工廠(chǎng)用變頻調速裝置對鼠籠式電機進(jìn)行調速控制已成為現實(shí)。
并不是在所有情況下用變頻調速裝置對鼠籠式電機進(jìn)行調速控制都可以取得很好的節能效果，這要取決于電機負載的性質(zhì)。一般將電動(dòng)設備負載性質(zhì)分成三類(lèi)，如表1所列。表1 負載性質(zhì)分類(lèi)
2各類(lèi)負載的節能分析
為了分析簡(jiǎn)便，假定電動(dòng)機的輸入功率等于這類(lèi)裝置的軸功率，即不考慮裝置效率的影響。由于恒轉矩負載的軸功率正比于電動(dòng)機轉速 ，
如轉速下降10% 、則功率亦下降10% 。
在理論上改變離心泵轉速時(shí)、泵特性有如下關(guān)系式
Q1/Q2 =n1/n2 (1)
H1/H2=(n1/n2)2 (2)
P1/P2=(n1/n2)3 (3)
式中：Q 為流量，H 為揚程，P 為泵軸功率，n 為泵轉速，下標1、2 表示泵的兩種不同轉速。
從式(3) 可以看出，當流量從100% 下降到80% 時(shí)，功率將從100% 下降到51.2%，可以節省48.8% 的功率,節能效果非常顯著(zhù)。
3變頻調速在鑄造車(chē)間恒壓供水系統上的應用
3.1 1變頻器在恒壓供水系統中的選用
該系統分別有3 臺30 kW 熱泵、3 臺55 kW 冷泵，二用一備，采用ABB 公司的ACS601-0011-3 帶內置PID 功能的變頻器，可編程控制器選用西門(mén)子S7-214-1BC10-0XB0 型，具體原理框圖如圖1 所示。圖1 中M1~M3 為電機，P1~P3 為水泵，JC1~JC6 為電機起、停、互相切換的交流接觸器，由可編程控制器定時(shí)切換。由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID 調節器給出的，所以對可編程控制器來(lái)講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/ 輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/ 數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊PWM 調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變?yōu)榭刂谱冾l器輸出頻率的模擬信號，這樣可編程控制器的成本非但沒(méi)有降低，還增加了連線(xiàn)和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/ 輸出的可編程控制器和一個(gè)PID 調節器，其成本也和帶模擬量輸入/ 輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID 控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。
圖1 新型變頻恒壓供水系統
由于PID 運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID 算法的編程，而且參數的在線(xiàn)調試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內部自帶的PID 調節器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失真，可對該信號設置濾波時(shí)間常數，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統的調試非常簡(jiǎn)單、方便。
3.2 運行方式
該系統有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運行方式。
3.2.1 手動(dòng)運行
按下啟動(dòng)或停止按鈕控制水泵啟停，可根據需要分別控制熱、冷泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時(shí)用。
3.2.2 自動(dòng)運行
系統運行由變頻柜與循環(huán)轉換柜,水泵、水流、壓力傳感裝置等構成的閉環(huán)系統進(jìn)行自動(dòng)控制，即由PID 調節器接收來(lái)自壓力傳感器的反饋信號，與給定的壓力參數進(jìn)行比較運算，將調節參數送給變頻器進(jìn)行轉速調節。
當合上自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，首先由變頻柜軟啟動(dòng)1# 水泵，變頻器頻率從零升到50 Hz，水泵達到額定轉速， 此時(shí)供水壓力若達不到設定的壓力，系統自動(dòng)將1# 水泵切換到工頻恒速運行，變頻器再軟啟動(dòng)2# 水泵，進(jìn)行調速供水，如還達不到設定壓力，系統又自動(dòng)將2# 水泵切換到工頻恒速運行，變頻器又再軟啟動(dòng)3# 水泵，直至達到設定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調速運行。如運行中變頻泵運行頻率降至設定的*低頻率，供水水壓仍大于設定壓力時(shí)，系統將自動(dòng)停止*先啟動(dòng)的水泵，如仍大，再停**次啟動(dòng)的水泵。在夜間運行時(shí)，當*后一臺變頻泵運行頻率降到設定的*低頻率時(shí)供水壓力還大于設定的壓力，變頻裝置將進(jìn)入休眠狀態(tài)，系統自動(dòng)停止水泵工作。此時(shí)由壓力傳感裝置監視管網(wǎng)壓力，若低于設定壓力的0.05MPa，變頻裝置自動(dòng)喚醒，啟動(dòng)水泵補水。該系統就根據壓力傳感器反饋信號不斷進(jìn)行調整，達到恒壓供水的目的。
3.3經(jīng)濟效益分析
目前該廠(chǎng)鑄造車(chē)間應用3 臺55 kW 三相異步電機驅動(dòng)的冷泵供應冷卻水，3 臺30 kW 熱泵抽取冷卻鋁錠的回流熱水，達到循環(huán)供水。平常豎井及橫鑄機組未啟動(dòng)時(shí)用水量較小,一般只開(kāi)一臺冷泵一臺熱泵，水壓限于0.4 MPa 左右。由于泵的功率較大,在該條件下工作時(shí)間較長(cháng)，采用變頻調速節能效果非常顯著(zhù)。
改造前每年用電量約為（55+30）×24×365 =744 600 kW·h
泵類(lèi)變頻調速節能可達到20%~30%，月均值在25%；電費價(jià)格按0.2977 元/kW·h 計算，則每年可節約電費744 600×25%×0.2977 =55 416.86 元
采用變頻調速, 根據管路水流量或壓力大小的變化自動(dòng)調節電機轉速，保證了水壓處于設定值，達到了改善供水工藝條件的目的。除了節約電能外，還防止了由于人為操作閥門(mén)跟不上水壓的變化（特別是在交接班時(shí)），引起鑄造廠(chǎng)房“水淹”事故的發(fā)生。
4 結語(yǔ)
1）恒壓供水采用變頻器改變電動(dòng)機轉速達到水泵出口壓力穩定，比靠人工操作調節閥門(mén)開(kāi)啟度控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力,大大減少截流損失的效能。
2)當供水系統要求泵出口流量小于額定流量時(shí)，則泵轉速自動(dòng)降低，不僅節能可觀(guān),而且還減少了軸承的磨損和發(fā)熱，從而延長(cháng)了泵和電動(dòng)機的機械使用壽命,綜合經(jīng)濟效益明顯。
3)因實(shí)現了恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員對閥門(mén)頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強度，節省了人力。
4)水泵電動(dòng)機采用變頻軟啟動(dòng)方式，按設定的加速時(shí)間加速，避免了電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊對電網(wǎng)電壓造成的波動(dòng)，同時(shí)也避免了電動(dòng)機突然加速造成泵系統的喘振。
5)節電效果明顯，收回投資快，且長(cháng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì )效益也是非常巨大的。