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电动机变频调速系统设计方案
[正文]:一、变频调速系统简介 工矿企业中，电动机是应用最广、数量最多的电气设备之一，电动机的运动及控制与企业的产品质量和效益密切相关。
过去电机调速多采用直流调速系统，其优点是调速易于实现，性能好，缺点是电刷打火、维护困难、使用环境受限制。
由于交流电机能克服直流电机的固有缺点，所以人们一直想以交流调速代替直流调速。
30年代就有人提出了有关理论；60年代，电力电子技术的发展，促进了交流调速技术的发展；进入80年代，交流变频调速装置的产品化，不仅发挥了交流调速的优点，而且很好地解决了交流电机调速性能不好的缺点，使交流电机调速不断完善，大有逐步取代直流电机调速的可能。
交流变频调速技术是电力电子技术、微电子技术、控制技术高度发展的产物。
变频调速的主要工作原理是：通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流，再由gtr、igbt、igct等逆变为频率可调的交流电源，此电源再拖动电机和负载。
交流电机变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、输出性能、功率因数、工作效率、节电降耗、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的。
它以体积小、重量轻、通用性强、工艺先进、保护功能完善、设计思想丰富、可靠性高、操作简便等优点深受电力、冶金、矿山、石油、化工、自来水等行业的欢迎。
无数实例证明，交流变频调速装置是企业技术改造和节能降低的理想设备，毫无疑问，这种调速方式将成为工矿企业驱动系统的中枢，成为各方面专家关心的中心问题。
( ) 二、变频调速器在火力发电厂主要传动中的节能分析 变频调速器在火力发电厂中最典型的应用实例，是各种机械以节能为目的采用变频调速装置进行的调速控制。
这种应用领域广阔，其中以风机、泵、磨煤机类机械的转速控制为中心，通常这类机械实际运行效率仅为30－40％，消耗电量约占厂用电量的10％左右。
风机水泵一个大的特点就是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
因此，将从前的电机以定速运转，用挡板或阀门调节风水量的方法，改用根据所需要的风水量调节转速就可获得最佳节电效果。
1挡板控制与转速控制 电机以定速运转，调节风机风量的典型方法是采用挡板控制。
根据挡板在风道中的安装位置可分为出口挡板控制和入口档板控制。
对于出口挡板控制，当挡板关小时则风阻增加，不能在广范围围调节风量。
另外，在低风量区域轴功率减少不多，从节能的观点来看不适合于风量控制。
入口挡板控制比出口挡板控制的风量控制范围广，关小入口挡板时轴功率大体与风量成比例下降。
与挡板控制相比，转速控制的节电效果大。
图1中的理想曲线表示用效率为100％的调速装置进行转速控制时，所需要的功率。
实际的调速装置根据选用的种类不同效率是不同的。
其中效率最好的与理想曲线接近，同理想曲线的差距表示调速装置的损耗。
低速区效率的降低以电机为主要原因，采用节电高效电机可以使总效率提高。
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2阀门控制与转速控制 泵的转速在某一范围内变化时，流量总扬程、轴功率有下列关系： 式中： n0：基准(额定)转速 n：运行转速 q/q0=n/n0 h/h0=(n/n0)2 p/p0=(n/n0)3 q0：n0时的流量 h0：n0时的扬程 p0：n0时的轴功率 q：n时的流量 h：n时的扬程 p：n时的轴功率 通常对于泵负载要考虑实际扬程，上述各式只为近似规律。
实际扬程越小，轴功率越接近于同转速的立方成正比的定常特性。
图2可以说明阀门控制与转速控制节能效果的差别。
当流量从1.0变为0.5时，图中轴功率，阀门控制时在100％转速功率特性上由a转移到b；而转速控制时，在由实际扬程决定的功率特性上由a转移到d，对于阀门控制可以获得相当于bd大小的节能效果。
另外：泵采用转速控制时，实际扬程越小，轴功率越接近于同转速的立方成正比的定常特性，转速控制产生的节电效果也越大。
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3恒转矩负载的转速控制 磨煤机基本属恒转矩负载，其负载转矩与转速关系不太大。
对于这种恒转矩负载采用变频器调速运转也可节能。
电机的输出功率p一般表达式：p∝t＊n 式中，t：负载转矩 n：电机的转速 这就是说，即使恒转矩负载，采用变频器等使电机速度下降，电机的输出功率将减少。
另外，采用电磁调速电机，鼠笼电机的定子电压控制等从前的调速电机，转速下降时总效率将大幅度降低，而采用变频器传动取代这些从前的调速电机，将充分获得低速时的节电效果。
( ) 三、风机、水泵、磨煤机变频调速配置 如上所述，风机、水泵、磨煤机等机械采用变频调速装置后，不但具有卓越的调整性能，便于实现自动控制，而且有着显著的节能效果。
现将电厂3台315kw风机、3台355kw风机、3台345kw水泵、2台1600kw磨煤机变频调速配置方案设计如下： 1315kw、355kw风机，345kw水泵配置方案 ·高－低－高方案 采用国产降压变压器，abb低压变频器及abb升压变压器，再与原6kv电机连接。
·高－低方案 采用国产降压变压器将6kv电压转换为660v或690v；采用abb低压变频器acs600(600v等级)；将电机更换为国产低压电机。
后方案较前方案舍去了价格较为昂贵的进口升压变压器。
采用国产低压电机与变频器配合使用，一方面总体价格得到下降，另一方面将使此传动系统达到最佳的调速范围和节电效果
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·降压变压器配置方案 无论是采用上面所述的任何方案都须使用降压变压器。
电厂现有315kw、345kw、355kw电机各3台，考虑到变压器容量、危险分散、通用性等具体情况，拟采用三台1600kva、6/069kv、具有三种次级绕组的降压变压器。
每台变压器带一台315kw的风机、一台345kw的水泵及一台355kw的风机。
变压器的负荷率为80％左右。
21600kw磨煤机配置方案 经比较，对于1000kw以上的电动机，采用高低方案可以获得较高的性价比。
图4中的降压变压器可用进口设备，也可采用国产设备。
四、投资收益分析 1风机315kw 3台、水泵345kw 3台、风机355kw 3台 按三.1所述高低方案配置，即：三台国产降压变压器，9台acs600变频器、9台低压电机。
1)315kw风机采用acs607－0400－6变频器，(成套：含降压变压器、变频器、低压电机。
下同)上述设备年耗电量为： 315·3·6000=5670000度/年 每度按0.4元计算，合计人民币226.8万元。
按50％节能计算，一年另1个月可收回成本。
2)355kw风机、345kw水泵均采用acs607－0490－6变频器，上述设备年耗电量为： (345·3＋355·3)·6000=12600000度/年 每度按0.4元计算，合计人民币504万元。
按50％节能计算，一年另2个月可收回成本。
2磨煤机1600kw 2台 按三.2所述高低方案配置，即：二台ktmp降压变压器，二台acs1013－a3－q变频器。
(成套：含降压变压器、变频器。
下同)上述设备年耗电量为： 1600·2·6000=19200000度/年 每度按0.4元计算，合计人民币768万元。
按40％节能计算，一年另4个月可收回成本。
若采用国产降压变压器，按上述方式计算，一年另3个月即可收回成本。
( ) 五、结论 综上所述，变频调速装置具有使用周期长，自保护功能全，适应性强，操作简单，可实现闭环控制，安全可靠等优点，对于电厂节能降耗，提高机组安全运行及自动控制水平具有广阔之应用前景。
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