基于德兴铜矿变频调速系统的节能分析

刘振国

刘振国（江西德兴铜矿，德兴334224）

摘要：本文从矿山企业实际应用出发，充分分析了大型设备负载的共性问题，通过仿真得出相关机械设备的节能减耗的最佳方法。并将该方法应用于异步电动机的工作方案中，经过实际运行的检验，此类方法及方案能有效地降低企业的能耗，提高能源的利用率。

关键词：变频调速；异步电动机；节能分析；矿山机械

中图分类号：TP27;TM92文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）08-0083-02

0引言

二十一世纪世界能源危机，节能降耗成为企业的永恒主题。在大型矿山企业中，工业节电是节能降耗的主要组成部分，因此，矿山中大量使用的风机、水泵、砂泵等设备的驱动电机的调速控制，关系到能耗的重要因素。

1用调节转速的方法来控制流体的流量是最节能的

在矿山的各类负载中，改变流量的方法主要有两种：①电动机转速恒定，调节阀门（或风门）的开度：②阀门（或风门）的开度恒定，调节电动机的转速。我们假定流量相同，在这种情况下，对二者功耗的分析具体如下：

1.1耗用功率与阀门（或风门）开度的关系通过改变阀门（或风门）的开度来调节流量时。可见在保持电动机转速不变的情况下，电动机功耗变化并不明显。

1.2耗用功率与转速的关系①平方率负载的耗用功率。在大部分风机和泵类负载中，阻转矩TL与转速n的关系如式：TL=T0+KTn2。阻转矩TL的大小和转速平方成n2正比，即平方律负载。电动机的耗用功率PL=TLnL/9550，整理得：PL=P0+KPQ3；式中P0为损耗功率，KP为功率比例常数。在忽略损耗功率P0不计的情况下，则功耗PL与Q3成正比，如图1中的曲线2所示。②恒转矩负载的耗用功率。各种压缩机及萝茨风机、齿轮泵均为恒转矩负载。其基本特点是负载转矩与转速无关：PL=P0+KPQ，在损耗功率P0忽略不计的情况下，电动机的耗用功率与流量成正比。

1.3比较设所需流量Qx，则由图1知：①采用关小阀门（或风门）的方法时，耗用功率为Px1；②在平方律负载中采用降低转速的方法时，耗用功率为Px2；③在恒转矩负载中采用降低转速的方法时，耗用功率为Px3。

2异步电动机变频调速的能量损失最小

异步电动机的调速方法很多，如：增大或改变转子回路内电阻的调速、电磁调速电动机等等。变频调速的问题，非但在调速性能方面远远超出其他的调速方法，并且具有明显的节能效果。分析如下：

2.1异步电动机的功率损失（以拖动恒转矩负载为例）电动机的功率损失△P1；在忽略定子损失的情况下，△P1的大小等于电磁功率PM1和负载功率PL1之差：△P1=PM1-PL1=T1△n1/9550=SPM1。式中S是异步电动机的转差率。这表明，电动机的功率损失与转差的大小成正比。

2.2各种调速方法的功率损失

2.2.1绕线转子异步电动机的调速方法是改变转子回路中串入电阻的大小。串入电阻后的机械特性如图2中的曲线2所示（曲线1为自然机械特性）。拖动系统的工作点将移至Q2点，转矩仍为T1，转速下降至n2。

这说明：同步转速n01未变，故电磁功率PM1=T1·n1/9550；电动机轴上的输出功率PL2将随转速而下降：PL2=T1·n2/9550；由于转差△n2=n01-n2﹥﹥△n1，所以电动机的功率损失大增加：△P2=T·△n2/9550﹥﹥△P1。转子回路中串入电阻后的功率分配如图2所示，事实上，转速的下降是通过在转子的外接电阻中消耗能量来实现的。

2.2.2电磁调速电动机的调速电磁调速电动机，也称滑差电动机或转差离合器。它广泛地应用在各种矿山生产机械中。从最终效果看，电磁调速电动机所等到的机械特性与功率损失和绕线转子异步电动机十分类似。只是其功率损失主要消耗在“第二级转子中”。

2.2.3变频调速时的功率损失异步电动机在改变频率后，其机械特性基本上与自然机械特性平行。所以，在不同转速下的转差大致相等，如图3所示。就是说，异步电动机在变频调速过程中，其功率损失的大小基本不变（实际略有增加）。

可见，和异步电动机的其他调速方法相比，变频调速的功率损失是最小的，其节能效果显著。

3变频调速在轻载运行时能自动节能

许多负载在运行过程中，其阻转矩的大小（负荷的轻重）是经常变动的。而电力拖动的设计者只可能按重负载时的情形来决定电机的容量。于是，当负载轻时，就出现“大马拉小车”的现象，电动机的效率就非常低。而现在变频器多具有根据负荷大小自动调整电压大小，提高电动机的运行效率，实现节能的功能。当负载一定时，存在一个最佳工作点，在这一点上电动机的定子电流将最小。当负载变化时，定子电流也随之改变，最佳工作点将发生转移。现在系列的变频器，配置了跟踪最佳工作点的功能。在此功能作用下，变频器能够在负载变化时自动地搜索并跟踪最佳工作点，使电动机总是在最佳工作点上运行，从而实现节能。

4变频器节能功能的应用范围

4.1用于对转速精度要求不高，可以按V/F控制方式运行的机械中；

4.2用于负载经常变化的场合；

4.3用于平方律负载中，节能效果最好。

5结束语

江西铜业集团德兴铜矿年供电量近10亿KW·h，按30%的负载可采用变频调速系统控制，每年可节约电能7千万KW·h，改造费用可在二年内收回。因此，大力推广变频调速节能运行，不仅是当前企业节能降耗的重要技术手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。

参考文献：

[1]王占奎.变频调速应用百例[M].北京：科学技术出版社.1999.

[2]吴浩.变频调速系统的设计与维护[M].济南：山东科技出版社.2006.

[3]叶的旺.变频调速技术在矿山空气压缩机中的应用[J].实用科技，2009,（20）.

[4]陈伯时.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.

[5]胡崇岳.现代交流调速技术，北京：机械工业出版社，2004.

[6]褚洪志,王双绵.浅谈变频调速装置在风机及水泵中的应用[J].有色冶金节能，2009,（1）.

[7]张子平.水泵电动机变频调速节能技术的探讨与研究[J].建材技术与应用，2009,（8）.

[8]张继涛，赵阳.变频技术在空气压缩机中的应用研究[J],河南科技，2009,（8）.

[9]袁国忠.变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机上的节能应用与分析[J].煤矿开采，2009,（4）.

[10]闫志宙,王忠文.变频调速的低频特性[J].中国有色金属,2009,（15）.

[11]李民主.论变频调速原理与应用状况[J].福建建材，2009,（4）.

[12]汪学峰.九江石化应用电机变频调速实现节能降耗[J].中国设备工程2009,（7）.

[13]孙伟.输油泵机组高压变频调速节能技术[J].油汽田地面工程,2009,（7）.

[14]岳海燕.电动机节能降耗技术初探[J].中国高新技术企业，2009,（3）.

[15]李桂兰,王广云.水泵流量控制与变频调速技术应用的研究[J].起重运输机械，2009,（2）.