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变频调速节能技术第1页，本讲稿共71页第一部分第一部分 调速概念调速概念q概述概述q高效调速与低效调速高效调速与低效调速q调速的主要指标调速的主要指标q调速的意义调速的意义第一部分第一部分第一部分第一部分 调速概念调速概念调速概念调速概念第2页，本讲稿共71页 np 改变电机极对数，变极调速改变电机极对数，变极调速S改变电机转差率，调压调速，电磁调速，改变电机转差率，调压调速，电磁调速，绕线式电机转子串电阻调速绕线式电机转子串电阻调速f1 改变电机输入频率，变频调速改变电机输入频率，变频调速一一、概述、概述2.异步电机调速公式：异步电机调速公式：转移电能并能改变频率的能量转换装置转移电能并能改变频率的能量转换装置。1.变频器定义：变频器定义：一一一一 、概述、概述、概述、概述第3页，本讲稿共71页定子调压、转子串电阻、滑差调速 nT0TmTLn1SsnT0TmsmTsUN0.8UN0.64Tm0.64 Tsn1TL调压调压 Sm不变不变 TmU12带恒转矩负载无调速意带恒转矩负载无调速意 义义，带动风机泵类负载，带动风机泵类负载 尚可尚可，高电阻转子亦可，高电阻转子亦可 但特性软需采用闭环控但特性软需采用闭环控 制制，以以提高特性硬度提高特性硬度 绕线转子串电阻时绕线转子串电阻时 Tm不变不变，低速下特性软，低速下特性软 运行不稳定运行不稳定，耗能大，耗能大 属有级恒转矩调速属有级恒转矩调速，大，大多用于重负载起动多用于重负载起动 结构简单结构简单、维护方便、维护方便、无级平滑无级平滑、价格低、转、价格低、转 子电阻大特性软，可采子电阻大特性软，可采 用闭环提高硬度，转差用闭环提高硬度，转差 功率消耗使电枢发热功率消耗使电枢发热 第4页，本讲稿共71页二、高效调速与低效调速二、高效调速与低效调速在交流电机中，要使电机输出定转矩，作一定的功，在交流电机中，要使电机输出定转矩，作一定的功，需要从定子侧通过旋转磁场输出一定功率到转子侧，这需要从定子侧通过旋转磁场输出一定功率到转子侧，这个电磁功率为：个电磁功率为：p pm mTT上式说明：上式说明：p pm m与转矩和转磁场速度的乘积成正比，与转矩和转磁场速度的乘积成正比，在一定的转矩调速时，若在一定的转矩调速时，若不变，那么从定子送到不变，那么从定子送到转子的功率是不变的，要使转速降低，通常增大转子的功率是不变的，要使转速降低，通常增大转子回路的电阻，使之产生损耗，即：转子回路的电阻，使之产生损耗，即：低效调速低效调速二、高效调速与低效调速二、高效调速与低效调速二、高效调速与低效调速二、高效调速与低效调速第5页，本讲稿共71页 P P2 2r r T TT(1-sT(1-s）p pm mspspm m SP SPm m转差功率，消耗在转子电阻上的功率，显然，改变转差功率，消耗在转子电阻上的功率，显然，改变S的调速是耗能调速的调速是耗能调速,称为低效调速称为低效调速.二、高效调速与低效调速二、高效调速与低效调速改变改变n np p f f 是一种改变旋转磁场同步速度的是一种改变旋转磁场同步速度的 方法，是方法，是不耗能的调速不耗能的调速,因因S S未变，输出功率不增加，即未变，输出功率不增加，即 P P2 2r rT TT(1-s)T(1-s)P Pm m(1-S)(1-S)损耗未增加是高效调速的方法损耗未增加是高效调速的方法.高效调速高效调速第6页，本讲稿共71页三、调速的主要指标三、调速的主要指标l一般一般V/f控制变频器控制变频器 D 10 1:10l矢量控制变频器矢量控制变频器 D 100 1:100l伺服器伺服器 1:1000 1:10000调速比：调速比：调速比调速比三、调速的主要指标三、调速的主要指标三、调速的主要指标三、调速的主要指标第7页，本讲稿共71页三、调速的主要指标三、调速的主要指标不同生产机械的调速比：不同生产机械的调速比：l车床车床 20 120(多挡齿轮变速多挡齿轮变速)l龙门刨龙门刨 10 40l铣床铣床 20 30l造纸机造纸机 10 20l轧钢机轧钢机 3 10调速比调速比第8页，本讲稿共71页三、调速的主要指标三、调速的主要指标 理想空载转速与加载到额定转速时速降理想空载转速与加载到额定转速时速降 与空载转速之比的与空载转速之比的百分数百分数对大多数的调速方式来说，机械特性越硬，则负载变化时速度变对大多数的调速方式来说，机械特性越硬，则负载变化时速度变化越小，工作越稳定化越小，工作越稳定低速纸机要求静态精度低速纸机要求静态精度0.5以内以内中高速纸机要求静态精度中高速纸机要求静态精度0.10.01静态调速精度静态调速精度（调速相对稳定性）（调速相对稳定性）静态调速精度：静态调速精度：第9页，本讲稿共71页三、调速的主要指标三、调速的主要指标动态精度：当负载突然增减时，系统的转动态精度：当负载突然增减时，系统的转速能快速恢复的时间速能快速恢复的时间lV/控制数百控制数百msl矢量控制数十矢量控制数十msl直接转矩控制直接转矩控制10ms以内以内动态调速精度动态调速精度第10页，本讲稿共71页三、调速的主要指标三、调速的主要指标 越接近于越接近于1平滑度越好。平滑度越好。生产机械的调速级数由生产加工要求而定生产机械的调速级数由生产加工要求而定:l普通机床级普通机床级l龙门刨床龙门刨床 接近无级接近无级l变频器为无级调速，平滑性好，数字量调节变频器为无级调速，平滑性好，数字量调节模拟量调节模拟量调节 。平滑性平滑性用相邻两级的转速（线速度）之比来表示，平滑系数用相邻两级的转速（线速度）之比来表示，平滑系数第11页，本讲稿共71页三、调速的主要指标三、调速的主要指标l 投资回收率投资回收率经济性经济性q 故障率，寿命故障率，寿命q 效率效率第12页，本讲稿共71页 四、调速的意义四、调速的意义l生产工艺要求生产工艺要求四、调速的意义四、调速的意义四、调速的意义四、调速的意义q 提高功效提高功效q 节能节能第13页，本讲稿共71页 第二部分第二部分 变频器调速节能技术变频器调速节能技术 我国的能源利用的基本特点我国的能源利用的基本特点 变变频频调调速速节节能能技技术术是是电电动动机机运运行行的的最最佳佳节节能能技术技术 变频器节能应用实例变频器节能应用实例第二部分第二部分第二部分第二部分 变频器调速节能技术变频器调速节能技术变频器调速节能技术变频器调速节能技术第14页，本讲稿共71页一一概述：概述：中国经济在过去的中国经济在过去的20年得到了快速的发展，改革开放激活年得到了快速的发展，改革开放激活了国内市场经济，使中国经济持续了国内市场经济，使中国经济持续20年增长，从年增长，从1991年到年到2001年，中国年，中国GDP增长都在增长都在7以上，以上，10年时间中国经济规模翻年时间中国经济规模翻了了2翻。翻。2001年，中国加入年，中国加入WTO，中国迅速融入全球经济体系，中国迅速融入全球经济体系，为中国经济增长带来了新的增长动力，为中国经济增长带来了新的增长动力，2002年至年至2006年年GDP增长连年超过增长连年超过9，2007年第一季度甚至可能超过年第一季度甚至可能超过11%。中国经济规模的迅速增长开始暴露出许多问题：中国经济规模的迅速增长开始暴露出许多问题：GDPGDP增长主增长主要依赖固定资产投资，而目前的投资方向侧重于重化工行业，投要依赖固定资产投资，而目前的投资方向侧重于重化工行业，投资效率低下；能耗和物耗太高，国内资源消耗太快；基础原料依资效率低下；能耗和物耗太高，国内资源消耗太快；基础原料依赖进口，而产品依赖于出口；环境状况恶化，环保投入不足。这赖进口，而产品依赖于出口；环境状况恶化，环保投入不足。这些问题将会限制中国经济的些问题将会限制中国经济的一一一一概述：概述：概述：概述：第15页，本讲稿共71页可持续可持续发展。发展。为为了了保保障障中中国国经经济济的的长长期期可可持持续续发发展展，中中国国的的“十十一一五五”计计划划提提出出来来一一个个重重要要目目标标，单单位位GDP能能耗耗降降低低20%，即即每每年年降降低低单单位位GDP能能耗耗4%。这这个个目目标标是是相相对对保保守守的的，在在2004年年，中中国国单单位位GDP的的能能耗耗是是日日本本的的7倍倍、美美国国的的6倍倍，甚甚至至是是印印度度的的28倍倍，相相对对而而言言中中国国的的能能源源效效率率还还是是较较低低的的，有有很很大大的的上上升升空空间间。在在2006年年，中中国国扭扭转转了了单单位位GDP能能耗耗持持续续上上升升的的局局面面，下下降降1.2%，但是没有达到预期计划下降的，但是没有达到预期计划下降的4%目标。目标。能能耗耗过过高高的的原原因因:我我们们从从能能源源的的开开采采，传传输输、转转化化、运运用用以以及及新新能能源源的的使使用用的的各各个个环环节节来来研研究究中中国国能能源源使使用用状状况况，上上面面的的GDP单单 位位 能能 耗耗 数数 据据 主主 要要 表表 明明 了了 能能 源源 传传 输输、第16页，本讲稿共71页转转化化运运用用效效率率，实实际际上上能能源源效效率率还还包包括括其其他他环环节节的的效效率率。产产业业结结构构中中重重化化工工偏偏高高是是造造成成中中国国单单位位GDP能能耗耗过过高高的的原原因因之之一一。2005年年中中国国第第一一产产业业、第第二二产产业业和和第第三三产产业业GDP贡贡献献率率分分别别为为12.6、47.5和和39.9，而而能能耗耗分分别别为为3.6、72.1和和24.3，万万元元GDP能能耗耗分分别别为为0.346、1.852、0.743吨吨标标准准煤煤（数数据据来来源源：国国家家统统计计局局）。从从上上面面的的数数据据可可以以看看出出，第第二二产产业业的的能能耗耗明明显显高高于于其其他他行行业业，中中国国第第二二产产业业在在GDP中中还还占占47.5的的比比例例，而而美美国国和和日日本本第第二二产产业业占占GDP的的比比例例只只有有25和和30。按按照照目目前前的的能能源源使使用用效效率率计计算算，如如果果中中国国的的第第二二产产业业比比重重下下降降到到40，单单位位能能耗耗就就能能够够下下降降7，也也就就是是说说，以以2005年年的的能源能源第17页，本讲稿共71页效效率率计计算算，第第二二产产业业的的比比重重每每下下降降1个个百百分分点点，单单位位GDP能能。耗就可以下降耗就可以下降0.91%。中国一次能源结构也是中国单位中国一次能源结构也是中国单位GDP能耗上升的重要原因。能耗上升的重要原因。2005年中国的一次能源结构中煤炭所占的比重为年中国的一次能源结构中煤炭所占的比重为68.9，原油，原油21、天然气、天然气2.9、水电、核电、风电、水电、核电、风电7.2，与之对应的是，与之对应的是，美国这美国这4类能源的比重分别为类能源的比重分别为24、39、26、11。从能源转。从能源转化效率来看，煤炭最低、电最高。按照目前的能源使用效率，煤炭化效率来看，煤炭最低、电最高。按照目前的能源使用效率，煤炭的比重每下降一个百分点，中国的单位的比重每下降一个百分点，中国的单位GDP能耗能减少能耗能减少0.82。能源转化效率低是中国能耗高的重要原因之一。能源转化效率低是中国能耗高的重要原因之一。20052005年年,中国电力工业全国平均供电煤耗为中国电力工业全国平均供电煤耗为374g/kWh,374g/kWh,生产厂用电率为生产厂用电率为5.95%,5.95%,电网综合线损率为电网综合线损率为7.18%,7.18%,与国外先进水平与国外先进水平第18页，本讲稿共71页相比差距甚大。如日本东京电力公司相比差距甚大。如日本东京电力公司19991999年的供电煤耗为年的供电煤耗为320 g/kWh,320 g/kWh,厂用电率为厂用电率为4%4%；法国电力公司；法国电力公司19991999年的供电煤耗为年的供电煤耗为331.6 g/kWh,331.6 g/kWh,厂用电率为厂用电率为4.47%4.47%；德国巴伐利亚电力公司；德国巴伐利亚电力公司19991999年年的供电煤耗为的供电煤耗为332.1g/kWh,332.1g/kWh,厂用电率为厂用电率为5.42%5.42%（含脱硫装置用（含脱硫装置用电）。美国、日本和德国电）。美国、日本和德国20002000年的电网综合线损率分别为年的电网综合线损率分别为6.0%6.0%、3.89%3.89%、4.6%4.6%，意大利，意大利EVEL 2004EVEL 2004年的综合线损率为年的综合线损率为3.0%3.0%。生产装置的落后是造成这种情况的主要原因，目前我国大机组、生产装置的落后是造成这种情况的主要原因，目前我国大机组、高参数（超临界、超超临界）机组的比重还较低。高参数（超临界、超超临界）机组的比重还较低。中国单位中国单位GDPGDP能耗高最主要的原因是能源利用率低。例如，能耗高最主要的原因是能源利用率低。例如，中国粗钢能耗为中国粗钢能耗为830Kg830Kg标准煤标准煤/T,/T,而日本仅为而日本仅为 680kg680kg标准煤标准煤/T/T，中国能耗高中国能耗高2222；中国大型合成氨；中国大型合成氨(3030万吨装置万吨装置)第19页，本讲稿共71页的标准能耗为的标准能耗为1400kg1400kg标准煤标准煤/T/T，而美国为，而美国为970kg970kg标准煤标准煤/T/T 中国的小装置能耗甚至高达中国的小装置能耗甚至高达1800kg1800kg标准煤标准煤/T/T，平均水平也达，平均水平也达到了到了1,700kg1,700kg标准煤标准煤/T/T，比美国高出，比美国高出7575。造成这种情况的主要。造成这种情况的主要原因在于装置规模小、工艺落后和能源回收利用比例低。原因在于装置规模小、工艺落后和能源回收利用比例低。从数字来看，降低第二产业在国民经济中的比重就能够有从数字来看，降低第二产业在国民经济中的比重就能够有效的降低中国单位效的降低中国单位GDP能耗指标。能耗指标。但是，对于如此巨大的产业但是，对于如此巨大的产业规模，产业结构的调整是非常困难的，而且是长期的的任务。规模，产业结构的调整是非常困难的，而且是长期的的任务。目前中国的产业结构状况是经济发展必然要经历的阶段，目前中国的产业结构状况是经济发展必然要经历的阶段，这种产业结构比例还将保持相当长的一段时间，只有中国基础这种产业结构比例还将保持相当长的一段时间，只有中国基础工业成熟，生活水平提升，基础设施水平达到较工业成熟，生活水平提升，基础设施水平达到较第20页，本讲稿共71页高的水平之后，服务业充分发展，产业结构重心才能倾向高的水平之后，服务业充分发展，产业结构重心才能倾向服务业。从中国产业、人口、劳动力资源结构等方面来看，近期接服务业。从中国产业、人口、劳动力资源结构等方面来看，近期接近美国或者日本的产业结构比例是不现实的。近美国或者日本的产业结构比例是不现实的。产业结构的调整需要国家政策的引导，限制重化工业，鼓励产业结构的调整需要国家政策的引导，限制重化工业，鼓励第三产业。第三产业。总体上来看近期不可能由产业结构的调整而带来明显的单位总体上来看近期不可能由产业结构的调整而带来明显的单位GDPGDP能耗指标的下降。要实现能耗指标的下降。要实现4 4的单位能耗下降需要在更多的方的单位能耗下降需要在更多的方面努力。其中电气传动中的节能是重要的方面。面努力。其中电气传动中的节能是重要的方面。第21页，本讲稿共71页 二二变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术 据据统统计计，全全国国用用电电量量的的60%左左右右是是通通过过电电机机来来消消耗耗的的，由由于于考考虑虑过过载载，重重载载启启动动，系系统统安安全全等等因因素素，系系统统设设计计时时电电动动机机选选型型都都留留有有一一定定的的余余量量，高高效效的的电电动动经经常常处处在在低低效效状状态态下下运运行行，能能源源使使用用的的不不合合理理，浪浪费费严严重重。采采用用变变频频调调速速技技术术可可使使电电动动机机回回到到高高效运行状态，具有非常大的节能效果。效运行状态，具有非常大的节能效果。（一）（一）高效调速高效调速:变频调速是高效的调速方式。变频调速是高效的调速方式。变变频频器器效效率率95%96%，且且不不随随转转速速的的改改变变而而改改变变；转转速速越越低，节能越显著。其他调速方式，如电磁调速和液力低，节能越显著。其他调速方式，如电磁调速和液力 二二二二变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术变频调速节能技术是电动机运行的最佳节能技术第22页，本讲稿共71页偶合器调速的效率与转速的变化成正比，转速越低，效率越低，偶合器调速的效率与转速的变化成正比，转速越低，效率越低，耗能越大。耗能越大。实际生产中，电动机的负载是千差万别的，实际生产中，电动机的负载是千差万别的，负载的负载的机械特性机械特性不同，不同，调速节能的效果也不一样。对于恒转矩负载调速节能的效果也不一样。对于恒转矩负载电磁调速和液力偶合器调速的效率与转速的变化成正比，损耗电磁调速和液力偶合器调速的效率与转速的变化成正比，损耗功率成比例增加；对平方转矩机械特性负载，转差离合器或液功率成比例增加；对平方转矩机械特性负载，转差离合器或液力偶合器损耗功率等于力偶合器损耗功率等于 。变频器调速的损耗功率为。变频器调速的损耗功率为 ，由此可见，转差离合器或液力偶合器损耗功率比变频器损耗，由此可见，转差离合器或液力偶合器损耗功率比变频器损耗功率大得多。从目前的技术条件看，没有比变频调速节能更好功率大得多。从目前的技术条件看，没有比变频调速节能更好的节能效果。的节能效果。（二）（二）电动机的调压节电电动机的调压节电第23页，本讲稿共71页 1 电动机的效率：电动机的效率：异异步步电电动动机机的的效效率率都都是是负负载载率率的的函函数数，效效率率表表示示电电机机运运行行时有功功率的利用率，为输出功率与输入功率之比，即：时有功功率的利用率，为输出功率与输入功率之比，即：式中：式中：时的效率时的效率 时的输入功率时的输入功率(kw)(kw)由上式可见，对于一定的负载，当电机的输出功率为由上式可见，对于一定的负载，当电机的输出功率为第24页，本讲稿共71页一一定定时时，电电机机的的效效率率与与总总损损有有关关，总总损损耗耗大大，则则效效率率低低；反反之之效效率率高高。电电机机总总损损耗耗有有两两部部分分组组成成：即即固固定定损损耗耗和和可可变变损损耗耗，固固定定损损耗耗不不随随电电机机的的负负载载而而变变，可可用用电机的空载输入功率近似表示，可变损耗与电机负载率的平方成正比。电机的空载输入功率近似表示，可变损耗与电机负载率的平方成正比。2、电机的损耗分析电机的损耗分析 异步电机在运行时的总损耗一般分为四类异步电机在运行时的总损耗一般分为四类（1）基本铜耗）基本铜耗 基本铜耗包括定子铜耗基本铜耗包括定子铜耗 和转子铜耗和转子铜耗（2）基本铁心损耗）基本铁心损耗 交变磁通在电机铁心中产生的磁滞和涡流损失交变磁通在电机铁心中产生的磁滞和涡流损失（3）机械摩擦损耗）机械摩擦损耗第25页，本讲稿共71页机械摩擦损耗机械摩擦损耗 包括通风系统损耗包括通风系统损耗P PV V和轴承摩擦损耗和轴承摩擦损耗P PT T （4 4）杂散损耗）杂散损耗 漏磁场在金属构件中产生的涡流损耗，气隙中的高次谐波漏磁场在金属构件中产生的涡流损耗，气隙中的高次谐波磁场在定转子铁心和导体中引起的损耗，统称为杂散损耗。磁场在定转子铁心和导体中引起的损耗，统称为杂散损耗。此类损耗与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。此类损耗与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。对于对于15KW15KW电动机上述各种损耗在总损耗中所占的比例是基本电动机上述各种损耗在总损耗中所占的比例是基本铜耗铜耗30%30%50%50%；基本铁心损耗；基本铁心损耗20%20%；机械摩擦损耗；机械摩擦损耗20%20%35%35%；杂散；杂散损耗损耗10%10%15%15%。电动机运行时这些损耗中机械摩擦损耗是基本。电动机运行时这些损耗中机械摩擦损耗是基本不变化的。用提高电动机的效率方法来不变化的。用提高电动机的效率方法来节能显然不现实。节能显然不现实。第26页，本讲稿共71页总损耗总损耗铁损铁损铜损，杂散铜损，杂散损耗损耗 图图1 电动机供电电压与损耗的关系电动机供电电压与损耗的关系铁损铁损 例1：计算球磨机变频调速改造后调压节能量，由：计算球磨机变频调速改造后调压节能量，由GB12497三相异三相异步电动机经济运行步电动机经济运行强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，且已知：强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，且已知：=90kw，0.935，=4.78KW，=0.6，K=0.25（4极电机），于是极电机），于是第27页，本讲稿共71页=则当电机的端电压则当电机的端电压U=380*0.75=285V时，有最佳的节电效果。时，有最佳的节电效果。计算节约的有功功率：计算节约的有功功率：=-0.41+0.68=0.27(kw)第28页，本讲稿共71页陶瓷厂的球磨机，料筒内加料陶瓷厂的球磨机，料筒内加料16T18T，在工作转速，在工作转速16r/min18rmin下运转下运转8小时，料的细度就达到工艺要求，出料后然后再加料，重小时，料的细度就达到工艺要求，出料后然后再加料，重复上述过程。一般来说，对不同的厂家和球磨的原料不同复上述过程。一般来说，对不同的厂家和球磨的原料不同,球磨机的性能球磨机的性能参数也有一定的差别，如发电厂磨煤使用的参数也有一定的差别，如发电厂磨煤使用的MTZ3570球磨机，料筒有球磨机，料筒有效内径效内径3500mm，筒体长度，筒体长度7000mm，工作转速，工作转速17.3r/min，电机功率，电机功率1120kw(6kv)。球磨机的电气传动方式为，三相交流鼠笼异步电机。球磨机的电气传动方式为，三相交流鼠笼异步电机液力液力偶合器偶合器齿轮减速器齿轮减速器皮带轮减速器，或三相交流鼠笼异步电机皮带轮减速器，或三相交流鼠笼异步电机齿轮减速齿轮减速器器皮带轮减速器，一般球磨机的料筒作为了减速器的皮带轮使用。皮带轮减速器，一般球磨机的料筒作为了减速器的皮带轮使用。一、球磨机的临界转速和最佳工作转速一、球磨机的临界转速和最佳工作转速球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的磨制过程。在球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的磨制过程。在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图1所示。所示。第29页，本讲稿共71页图图1 筒体内的钢球和物料的运动状况筒体内的钢球和物料的运动状况 效率最高时的工作转速成为最佳工作转速效率最高时的工作转速成为最佳工作转速nZJ。球磨机的临界转速为：。球磨机的临界转速为：式中：式中：D筒体内径筒体内径最佳工作转速为：最佳工作转速为：(r/min)第30页，本讲稿共71页 实际实际运行表明，最佳工作运行表明，最佳工作转转速与速与钢钢球的直径及其装球的直径及其装载载量、量、护护甲形状、甲形状、钢钢球与球与护护甲之甲之间间的摩檫系数等因素有关。一般最佳工作的摩檫系数等因素有关。一般最佳工作转转速通常速通常为为 ，可见转速还是有一定的可调范围，只不过可调范围不大。实际上，可见转速还是有一定的可调范围，只不过可调范围不大。实际上，如上所述的陶瓷厂的球磨机，料筒转速的变动范围在如上所述的陶瓷厂的球磨机，料筒转速的变动范围在16r/min18r/min之之间。可调速范围间。可调速范围011%。球磨机为恒转矩负载机械，电机输出的轴功率。球磨机为恒转矩负载机械，电机输出的轴功率PZ,即：即：采用变频调速理论上节能的幅度在采用变频调速理论上节能的幅度在011%之间。之间。第31页，本讲稿共71页11风机风机泵类平方转矩负载的变频调速节能泵类平方转矩负载的变频调速节能风风机机泵泵类类通通用用设设备备的的用用电电占占电电动动机机用用电电的的50%50%左左右右,那那就就意意味味着着占占全全国国用用电电量量的的30%30%。采采用用电电动动机机变变频频调调速速来来调调节节流流量量，比比用用挡挡板板阀阀门门之之类类来来调调节节，可可节节电电20%20%50%50%，如如果果平平均均按按30%30%计计算算，节节省省的的电电量量为为全全国国总总用用电电量的量的9%9%，这将产生巨大的社会效益和经济效益。，这将产生巨大的社会效益和经济效益。由于大量的风机由于大量的风机泵类设备陈旧，运行效率低，耗电量过大，设计过泵类设备陈旧，运行效率低，耗电量过大，设计过程过多考虑建设前后长期工艺要求的差异，使裕量过大。如火电设计程过多考虑建设前后长期工艺要求的差异，使裕量过大。如火电设计规程规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机规定，燃煤锅炉的鼓风机,引风机的风量裕度分别为引风机的风量裕度分别为5%和和510%，风压裕度为，风压裕度为10%和和10%15%，设计过程中很难计算管网的阻力，设计过程中很难计算管网的阻力，考虑考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总把系统的最大风量和风长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总把系统的最大风量和风压裕量作为选型的依据，但风机的系列是有限的，往往选不到合适的压裕量作为选型的依据，但风机的系列是有限的，往往选不到合适的风机型号就往上靠，风机型号就往上靠，20%30%的比较常见。生产中实际操作时，常用的比较常见。生产中实际操作时，常用阀门、挡板进行节流调节，增加了阀门、挡板进行节流调节，增加了1111风机风机风机风机泵类平方转矩负载的变频调速节能泵类平方转矩负载的变频调速节能泵类平方转矩负载的变频调速节能泵类平方转矩负载的变频调速节能第32页，本讲稿共71页管管路路的的阻阻尼尼，电电机机仍仍旧旧以以额额定定速速度度运运行行，这这时时能能量量消消耗耗较较大大。如如果果用用变变频频器器对对风风机机 泵泵类类设设备备进进行行调调速速控控制制，不不需需要要再再用用阀阀门门、挡挡板板进进行行节节流流调调节节，将将它它们们开开到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少节节能能量量可可用用GB12497三三相相异异步步电电动动机机经经济济运运行行强强制制性性国国家标准实施监督指南中的计算公式，即：家标准实施监督指南中的计算公式，即：离心泵和风机应用理论依据离心泵和风机应用理论依据 流量基本与转速成正比流量基本与转速成正比 压力压力/压头压头/杨程基本与转速平方成正比杨程基本与转速平方成正比 输入功率基本与流量立方成正比输入功率基本与流量立方成正比第33页，本讲稿共71页 对风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率对风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率PL与流量与流量Q的关系的关系式中：式中：PePe额定流量时电机输入功率额定流量时电机输入功率kWkW Q QN N额定流量额定流量若流量的调节范围（若流量的调节范围（0.51）QN，则调节电率为：，则调节电率为：第34页，本讲稿共71页 例：有一电机例：有一电机4极极Pe=315kW，驱动风机，风机的实际风量，驱动风机，风机的实际风量Q与额定风量之比与额定风量之比Q/QN为为0.8，现采用变频器调速，求电率。，现采用变频器调速，求电率。节电率节电率36%。2.恒转矩类负载的调速节能恒转矩类负载的调速节能 对恒转矩类负载，有对恒转矩类负载，有 ，电机的输入功率与转，电机的输入功率与转速的一次方成正比。速的一次方成正比。2.2.恒转矩类负载的调速节能恒转矩类负载的调速节能恒转矩类负载的调速节能恒转矩类负载的调速节能第35页，本讲稿共71页 采用变频调速后节省的功率可用下式计算采用变频调速后节省的功率可用下式计算 节电率：节电率：节省的功率与调速前后的速差成正比，速差越大，节能越显著。节省的功率与调速前后的速差成正比，速差越大，节能越显著。恒恒转转矩矩负负载载变变频频调调速速一一般般都都用用于于满满足足工工艺艺需需要要的的调调速速，不不用用变变频频调调速速就就得得采采用用其其他他方方式式调调速速，如如调调压压调调速速绕绕线线式式电电机机转转子子串串电电阻阻调调速速电电磁磁调调速速等等。由由于于这这些些调调速速方方式式是是低低效的调速，使用变频调速后，可节省因调速消效的调速，使用变频调速后，可节省因调速消第36页，本讲稿共71页耗的转差功率，有时节能率也是很可观的。耗的转差功率，有时节能率也是很可观的。例例如如在在水水泥泥厂厂采采用用变变频频调调速速的的方方法法取取代代电电磁磁调调速速，经经过过多多个个厂厂家家的的应应用用结结果果表表明明，平平均均节节能能量量左左右右、为为什什么么对对电电磁磁调调速速进进行行变变频频改改造造会会有有如如此此大大的的节节能能效效果果呢呢，因因为为电电磁磁调调速速方方法法是是的的一一种耗能的低效调速方法。种耗能的低效调速方法。3 3、电磁调速系统、电磁调速系统 电电磁磁调调速速系系统统由由鼠鼠笼笼异异步步电电机机、转转差差离离合合器器、测测速速电电机机和和控控制制装装置置组组成成，通通过过改改变变转转差差离离合合器器的的激激磁磁电电流流来来实实现现实实现调速。现调速。转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻 磨擦损耗及磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损耗所产生的。如果考虑这些从动部分的机械磨擦损耗所产生的。如果考虑这些3 3 3 3、电磁调速系统、电磁调速系统、电磁调速系统、电磁调速系统第37页，本讲稿共71页电磁调速电机电磁调速电机 第38页，本讲稿共71页 式中：式中：T2转差离合器转差离合器的输出转矩的输出转矩 n2-转差离合器的转差离合器的输出轴转速输出轴转速损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入器的输入 输出功率可由下式计算：输出功率可由下式计算：电动机轴输出功率电动机轴输出功率 P1=T1n1 （1）式中：式中：T1电电动机的输出转矩动机的输出转矩 n1-电电动机的输出轴转速动机的输出轴转速 转差离合器轴输出功率转差离合器轴输出功率 P2=T2n2 （2）第39页，本讲稿共71页 于是可得：于是可得：（5）其效率正比于输出转速，其效率正比于输出转速，输出最大转速时其效率理论值为输出最大转速时其效率理论值为85%。转差率可又下式计算：转差率可又下式计算：（4）（3）电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。对于恒转矩对于恒转矩负载，负载，T=T1=T2=常数，所以，转差离合器的效率常数，所以，转差离合器的效率：第40页，本讲稿共71页 损损耗耗功功率率公公式式（6）可可以以清清楚楚看看到到，电电磁磁调调速速电电机机的的转转速速越低，浪费能源越大，然而工作机械的转速通常在越低，浪费能源越大，然而工作机械的转速通常在 电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率基本保持不变。损耗以有功的形持不变，鼠笼式电机的功率基本保持不变。损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并由电枢上的风叶散发出去。的风叶散发出去。（6）可见在恒转负载下，转差离合器的效率正比于输出转速。可见在恒转负载下，转差离合器的效率正比于输出转速。当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率基本保持当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率基本保持不变，此时损耗功率不变，此时损耗功率Ph与转差损耗成正比增加，与转差损耗成正比增加，即：即：第41页，本讲稿共71页左左右右运运行行，因因此此改改用用变变频频调调速速的的方方式式会会有有的节能效果。的节能效果。4 液力液力偶偶合器调速系统合器调速系统 液液力力偶偶合合器器是是通通过过控控制制工工作作腔腔内内工工作作油油液液的的动动量量矩矩变变化化，来来传传递递电电动动机机能能量量，电电动动机机通通过过液液力力偶偶合合器器的的输输入入轴轴拖拖动动其其主主动动工工作作轮轮，对对工工作作油油进进行行加加速速，被被加加速速的的工工作作油油再再带带动动液液力力偶偶合合器器的的从从动动工工作作涡涡轮轮，把把能能量量传传递递到到输输出出轴轴和和负负载载。液液力力偶偶合合器器有有调调速速型型和和限限矩矩型型之之分分，前前者者用用于于电电气气传传动动的的调调速速，后后者者用用于于电电机机的的起起动动。系系统统中中的的液力偶合液力偶合器在电机起动时起缓冲作用，器在电机起动时起缓冲作用，液力偶合器的液力偶合器的效率与电磁调速器效率与电磁调速器的计算方式相同的计算方式相同，计算的公式为：计算的公式为：4 4 液力液力液力液力偶偶偶偶合器调速系统合器调速系统合器调速系统合器调速系统第42页，本讲稿共71页 5 绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机串电阻调速系统 绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调5 5 绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机串电阻调速系统（8）其效率正比于输出转速，其效率正比于输出转速，输出最大转速时其效率理论值为输出最大转速时其效率理论值为95%。当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率保持不变，此。当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率保持不变，此时损耗功率时损耗功率Ph与转差损耗成正比增加，即：与转差损耗成正比增加，即：（7）第43页，本讲稿共71页 （9）（10）（11）速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机返向旋转和改变电机正向转速，在位能负载时，还可使电机返向旋转和改变电机的反向转速。的反向转速。对于绕线式电机，无论在起动对于绕线式电机，无论在起动 制动还是调速中，采用转子串制动还是调速中，采用转子串电阻方式均会带来电能损耗。这种损耗随着转速的降低，转差电阻方式均会带来电能损耗。这种损耗随着转速的降低，转差率率S的增大而增大，另外，随着串接电阻的增大，机械特性变的增大而增大，另外，随着串接电阻的增大，机械特性变软，难以达到调速的静态指标。软，难以达到调速的静态指标。绕线式电机的功率关系为：绕线式电机的功率关系为：第44页，本讲稿共71页 若若S=0.5,电磁功率有一半消耗在转子电阻上，调速系统效电磁功率有一半消耗在转子电阻上，调速系统效率低于率低于50%。三三三三 变频调速节能与系统功率因数的关系变频调速节能与系统功率因数的关系变频调速节能与系统功率因数的关系变频调速节能与系统功率因数的关系式中：式中：第45页，本讲稿共71页 用电度表进行计量检测电机实际消耗的电量时，电度表用电度表进行计量检测电机实际消耗的电量时，电度表（12）三三 变频调速节能与系统功率因数的关系变频调速节能与系统功率因数的关系：前已假定电动机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同，前已假定电动机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同，这样在计算节能时可不考虑系统功率因数的影响。实际上，在变频这样在计算节能时可不考虑系统功率因数的影响。实际上，在变频器投入前后，其功率因数可能是不同的，因此，计算的节能量是否器投入前后，其功率因数可能是不同的，因此，计算的节能量是否考虑变频器调速前后的功率因数的变化呢？考虑变频器调速前后的功率因数的变化呢？正弦电路中，功率因数是由电压正弦电路中，功率因数是由电压U U与电流与电流I I之间的相位角差之间的相位角差决定的。在此情况下，功率因数常用决定的。在此情况下，功率因数常用P P表示。电路中的有功功表示。电路中的有功功率率P P就是其平均功率，即：就是其平均功率，即：第46页，本讲稿共71页测测量量的的就就是是电电动动机机系