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關(guān)鍵詞：|交流傳動(dòng)在我國的應(yīng)用和展望|Applications and expectation of AC Drive in China|吳秋生|北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司|,低壓變頻器|,煙草機(jī)械
作者：吳秋生
摘要：摘要：變頻調(diào)速在我國已經(jīng)使用了二十年以上的歷史，對(duì)提高我國工業(yè)的生產(chǎn)效率，改善用電情況產(chǎn)生了積極的作用，文中重點(diǎn)回顧了變頻調(diào)速技術(shù)在我國工業(yè)應(yīng)用中的節(jié)能情況。回顧了變頻技術(shù)的發(fā)展過程，并且對(duì)變頻技術(shù)的前景作了展望。 Abstract: AC VSD, which has been utilized in China for more than 20 years, plays an active role in increasing the efficiency of industrial productivity and in improving the situation of the electricity application in China. The article mainly gave a retrospect to the energy-saving situation due to the application of AC VSD technology in Chinese industry, the process of its development and provides an outlook as well.
一 我國變頻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過十多年的應(yīng)用推廣 , 得到了飛速發(fā)展 。變頻器己廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)。 促進(jìn)了節(jié)能改造, 極大地提高了我國工業(yè)電氣傳動(dòng)水平。但推進(jìn)的力度 還不夠 , 變頻器應(yīng)有的潛能還遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮出來 。1997 年統(tǒng)計(jì)全國需進(jìn)行調(diào)速改造的變頻器市 場(chǎng)大約有1500億元人民幣 ( 不包括后來新增的需調(diào)速設(shè)備 ), 但到 2001 年 , 改造不到10%( 包括高效節(jié)能電機(jī)的使用在內(nèi) ) 。距離國家 " 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能計(jì)劃 " 投資500 億元進(jìn)行發(fā)展 的要求相距甚遠(yuǎn)。這里有我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)問題, 耗能大, 浪費(fèi)多的電機(jī)設(shè)備多集中在大型企業(yè), 主要是那些高壓電風(fēng)機(jī)與水泵上 , 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)報(bào)道 , 我國風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)總數(shù) 大約 4200 萬臺(tái) , 裝機(jī)容量約 1.1 億萬千瓦。然而實(shí)際情況大多是大馬拉小車、無論輕載重 載都以一種恒速的方式運(yùn)行。實(shí)際工作效率只有 60-40%, 損耗電能占總發(fā)電量的 40% 。多數(shù) 情況 , 設(shè)備不能跟隨工作狀況的變化及時(shí)調(diào)整運(yùn)行設(shè)備的速度, 造成電能浪費(fèi) , 生產(chǎn)成本提高, 效益降低, 甚至造成環(huán)境污染。其原因包括技術(shù)，電網(wǎng)，資金和認(rèn)識(shí)等問題。
變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在工業(yè)生產(chǎn)中無非是解決兩大問題：一是節(jié)能，二是改善生產(chǎn)過程。
我國的產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國電機(jī)的總裝機(jī)容量己達(dá) 4 億 kw, 年耗電量占全國用電量的近 60%, 但我國 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率卻非常低 , 基本上要比國外平均水平低20%，70%的電機(jī)只相當(dāng)于國際 20 世紀(jì) 50 年代的技術(shù)水平 , 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能效比國外低 20% 左右 , 電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。
要解決生產(chǎn)過程中能耗高的問題 , 除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外 , 變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施 , 變頻調(diào)速的重要性日益得到了國家的重視 , 在國內(nèi)推廣變頻器調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。"十五"期間, 要通過" 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能" 計(jì)劃的實(shí)施, 實(shí)現(xiàn)年節(jié)電1000億kwh , 實(shí)施重點(diǎn)耗能行業(yè)節(jié)能示范工程, 計(jì)劃在冶金、有色、建材、化工和石化等行業(yè)創(chuàng)辦節(jié)能示范工廠 , 通過對(duì)工藝、技術(shù)和設(shè)備的全面改造和大量使用節(jié)能材料 , 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié) 能帶動(dòng)全國節(jié)能提效工作的進(jìn)一步發(fā)展 。
從 20 世紀(jì) 90 年代初 , 隨著國內(nèi)企業(yè)對(duì)變頻器認(rèn)識(shí)的逐步深入和大量外國產(chǎn)品的入境 , 我國變頻器市場(chǎng)得以快速啟動(dòng)。中國企業(yè)亦開始認(rèn)識(shí)變頻器的作用并嘗試使用。經(jīng)過十 余年的推廣和使用 , 變頻器己得到廣大企業(yè)用戶的認(rèn)可，在20世紀(jì)90年代里, 變頻器大規(guī)模進(jìn)人中國市場(chǎng) , 在空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。目前在我國交流傳動(dòng)市場(chǎng)占有大份額的變頻器產(chǎn)品主要是國外品牌，如芬蘭的 ABB 公司，德 國 的
Simense公司、倫茨公司， 法國的施耐德公司 , 丹麥的丹佛斯 , 日本的富士、日立、安川 , 明電舍、春日等等，還有歐陸、 CT，威肯，松下、歐姆龍，A 一 B 、GE 和 摩托托尼，三星、ANSALDO等等 。其中ABB公司、Simense公司等己在國內(nèi)建廠生產(chǎn)部分系列品牌變頻器。
最先進(jìn)入中國變頻器市場(chǎng)的是日本品牌 ,計(jì)有三墾公司的, 富士公司的，后來又有了東芝公司的、三菱公司的，安川公司的等等。當(dāng)時(shí)的變頻器多為以大功率晶體管為逆變?cè)漠a(chǎn)品 , 屬于變頻器的第二代產(chǎn)品。不久，歐洲品牌則以更新的技術(shù)隨后進(jìn)入中國。歐洲的品牌以更新的設(shè)計(jì)，更好的性能，更周到的服務(wù)，逐漸擴(kuò)大了市場(chǎng)，經(jīng)過十幾年的應(yīng)用檢驗(yàn)，成為用戶的首選品牌。
歐洲大公司變頻器技術(shù)在不斷發(fā)展，從控制策略到制造工藝都在飛快的提高，使得變頻器產(chǎn)品已進(jìn)入了第四代技術(shù)。其性能亦能和直流傳動(dòng)技術(shù)相當(dāng)，有相當(dāng)一部分應(yīng)用領(lǐng)域可以采用交流傳動(dòng)，效果亦相當(dāng)理想。
二 交流傳動(dòng)的應(yīng)用
（一）風(fēng)機(jī)泵類的應(yīng)用
在相當(dāng)一類工業(yè)企業(yè)中使用了大量的風(fēng)機(jī)水泵。按不同工況的需要，功率有大有小，電壓有高有低。由于他們?cè)谠O(shè)計(jì)選型時(shí)都有功率裕量，因而他們都有很大的節(jié)能潛力。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì) , 泵與風(fēng)機(jī)的 耗電量約占全國電力消耗總量的 50% 左右。目前 , 泵 與風(fēng)機(jī)運(yùn)行中還有很大的節(jié)能潛力 , 其潛力挖掘的主 要方向是提高泵與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。據(jù)估計(jì) , 提高泵 系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率的節(jié)能潛力達(dá) 200~400 億 KWh , 相當(dāng)于 4-8 個(gè)裝機(jī)容量為 1000MW 級(jí)的大型火 力發(fā)電廠的發(fā)電總量。
以火力發(fā)電企業(yè)為例 , 泵與風(fēng)機(jī)當(dāng)然是最主要的耗電設(shè)備。據(jù)前幾年的統(tǒng)計(jì)資料表明, 全國火力發(fā)電廠下述八種泵與風(fēng)機(jī) : 送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)、 鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、灰漿泵配套電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘繛?12829 MW , 年總用電量為 450.2 億 kwh, 占 l994 年全國火力發(fā)電量的 5.8% 。調(diào)查結(jié)果表明 : 火電廠上述泵與風(fēng)機(jī)的節(jié)能潛力巨大 , 還有總?cè)萘考s為3913 MW的泵與風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行節(jié)能改造 , 完成這些改造 后 , 估計(jì)年節(jié)電量可達(dá) 25.69 億 kwh 。需要改造的 lOOMW 以上機(jī)組的風(fēng)機(jī)、水泵達(dá) 2469 臺(tái)。
再比如，冶金企業(yè)是我國的能耗大戶 , 單位產(chǎn)品能耗高出日本的3倍 , 法國的4.9 倍 , 印度的1.9 倍。冶金企業(yè)使用的風(fēng)機(jī)泵類非常多，僅就軋鋼均熱爐為例，其基本的生產(chǎn)過程可分為四個(gè)部分：裝人，加熱，保溫，出鋼。加熱升溫期一般將熱負(fù)荷給定最大 , 這時(shí)熱風(fēng)以最大量供給爐膛；保溫期間 , 風(fēng)量減少約為加熱期的60%；出鋼期間風(fēng)量約為加熱期的30%；裝入鋼坯期間風(fēng)量為零。根據(jù)均熱爐這一工況 , 可見對(duì)其風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻改造 , 可以大幅度的節(jié)約電能。不僅如此，改造前均熱爐調(diào)節(jié)風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)預(yù)熱器 出口位置的熱風(fēng)放散閥 , 爐膛需要減少風(fēng)量時(shí) , 熱風(fēng)放散閥開啟 , 熱風(fēng)直接放散到預(yù)熱器外 , 帶走大量熱量 , 造成熱量 損耗 ,采用變頻改造后 , 不存在多余風(fēng)量問題 , 可使裝鋼后預(yù)熱器保證足夠的溫度，從而還節(jié)約了1-7%煤氣燃料。減少氧化燒損，改善鋼錠均熱質(zhì)量。
我國是水泥工業(yè)大國 , 水泥工業(yè)作為我國基礎(chǔ) 性原材料工業(yè)的支柱之一 , 在國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。目前水泥產(chǎn)量已達(dá)到 7 億噸以上 , 約占世界水泥總產(chǎn)量 1/3 。國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步高速發(fā)展需要保持一個(gè)較大的建設(shè)規(guī)模。大規(guī)模的房屋建筑、基礎(chǔ)設(shè)施和工程建設(shè)都要求建筑材料的支柱產(chǎn)品一水泥在未來有更大的發(fā)展。目前水泥的應(yīng)用己滲透 到國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的每個(gè)角落 , 各種民用建筑與工業(yè)廠房建設(shè)、海洋與水工工程、機(jī)場(chǎng)與路橋建設(shè)、地下與海底隧道工程以及國防、航天、石油等特殊工程 應(yīng)用 ,因此，我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了建材和水泥工業(yè)的興旺發(fā)展 ,水泥生產(chǎn)過程同樣大量使用交流電機(jī)，有許多應(yīng)用場(chǎng)合需要通過改變轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能和改善工藝的需求，比如原料礦石的破碎，堆取，研磨，均化；旋窯的驅(qū)動(dòng)，窯尾風(fēng)機(jī)，窯頭風(fēng)機(jī)，蓖冷風(fēng)機(jī)的調(diào)速；煤粉制備等等都可以通過合理的應(yīng)用變頻調(diào)速達(dá)到節(jié)能的目的。
與此類似的還有石油化工企業(yè)等，也都大量的使用了很多風(fēng)機(jī)和泵，還有大功率的擠壓機(jī)或壓縮機(jī)等等。
在這些應(yīng)用中，由于技術(shù)發(fā)展的原因，早期的電氣設(shè)備不具備對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行方便調(diào)速的功能，所以電機(jī)的速度是恒定的，對(duì)風(fēng)量和水流量的調(diào)節(jié)采用機(jī)械的方法，電能的浪費(fèi)特別大。再者，電力部門從減小電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和工作當(dāng)中線損的角度出發(fā) , 希望提高供電電壓。于是造成現(xiàn)在在某些行業(yè)中，大量使用著200KW及其以上功率的高壓供電電機(jī)。于是，高壓變頻技術(shù)及高壓變頻器裝置便出現(xiàn)了。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，特別是新型高壓電力電子器件的出現(xiàn)，使高壓變頻技術(shù)和高壓變頻裝置有了極大的提高。
按現(xiàn)在變頻技術(shù)水平，大功率電力電子器件水平，采用低壓供電方案，滿足3000KW以內(nèi)電機(jī)功率的供電是不成問題的。尤其是變頻調(diào)速控制方式實(shí)際上對(duì)電機(jī)起動(dòng)過程來說是最好的軟啟動(dòng)方式。采用變頻器調(diào)速后, 起動(dòng)電流被限制在 額定值內(nèi)，減小電網(wǎng)沖擊，免除電機(jī)的機(jī)械損傷，減小供電回路的開關(guān)容量，減輕設(shè)備維護(hù)量。
在沒有變頻技術(shù)的年代里，由于電網(wǎng)直接供電的原因，電機(jī)功率以200KW為分界，區(qū)分出高壓供電電機(jī)和低壓供電電機(jī)。現(xiàn)在有了變頻技術(shù)及變頻器，保護(hù)供電電網(wǎng)已經(jīng)不成問題了，高低壓供電的分界點(diǎn)也就隨之產(chǎn)生了變化。經(jīng)過對(duì)技術(shù)方案的研討，對(duì)設(shè)備投資的比較，分界點(diǎn)一般認(rèn)為在800-1000KW是合適的。即800KW以下的電機(jī)，采用低壓變頻器供電更合適，大于1000KW的電機(jī)可以考慮使用高壓變頻器供電方案。當(dāng)然在3000KW以內(nèi)，使用低壓變頻器供電方案也是沒有問題的。在這方面，ABB公司，Simense公司，
Robincon公司等都有相應(yīng)產(chǎn)品。特別是ABB公司的直接高壓供電變頻裝置，采用了新一代電力電子器件IGCT構(gòu)成的高壓大功率逆變橋，應(yīng)用ABB公司的獨(dú)家專利技術(shù)DTC對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，使產(chǎn)品的性能和可靠性都達(dá)到了極高的水平。
（二） 改善工藝水平的應(yīng)用
上述應(yīng)用場(chǎng)合要求傳動(dòng)裝置功率大，電壓高。但對(duì)速度和力矩控制的精度和響應(yīng)并無特殊要求。
與此相對(duì)應(yīng)的更多的是低壓供電變頻器的需求。除去低壓供電的小功率風(fēng)機(jī)泵類以外，還有許多行業(yè)要求變頻器不僅具有很好的速度控制精度，還要有快速的，精確的力矩控制性能。比如金屬加工行業(yè)中的帶材軋制過程，線材軋機(jī)，拉絲機(jī)械，銑面，縱剪，復(fù)合加工，連鑄連軋，酸洗，矯直，剪切等等。這些工藝過常常要求多臺(tái)電機(jī)之間要有精確的速度配合，或是要求力矩能快速的跟隨負(fù)載的變化而變化。這些特性同時(shí)也是造紙行業(yè)，紡織印染行業(yè)，化纖行業(yè)，橡塑行業(yè)，印刷，包裝，膠片制備和涂布等等行業(yè)所需要的。
上述各類加工過程，其產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量除和加工機(jī)械有關(guān)外，還依賴于電氣傳動(dòng)設(shè)備以及電氣系統(tǒng)的構(gòu)成水平。
還有一些對(duì)控制要求特殊的應(yīng)用，比如提升機(jī)應(yīng)用。提升機(jī)廣泛的用于沿海沿江的港口碼頭，集裝箱集散地，工礦企業(yè)，電站航天造船等大型設(shè)備的安裝場(chǎng)合。他不僅要有精確的速度控制特性，還要有極好的力矩控制特性。力矩控制的精確度和響應(yīng)快慢是衡量電氣傳動(dòng)技術(shù)的重要指標(biāo)。因?yàn)檫@一類純位勢(shì)負(fù)載的特性是被提升物一旦離開地面便沒有了<< p="">
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