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为什么要使用变频器?

2019-10-31 17:47| 发布者: 198366809| 查看: 1| 评论: 0|原作者: 198366809

摘要: 在此前的文章中我们讲述了「什么是变频器」,并提到了一些相关的应用场景,了解到变频器大多数时候都是作为一种交流电机的调速装置出现的。 PicSource:EATON 那么,究竟为什么要使用变频器呢?以及何种情况下,需 ...
在此前的文章中我们讲述了「什么是变频器」,并提到了一些相关的应用场景,了解到变频器大多数时候都是作为一种交流电机的调速装置出现的。



PicSource:EATON

那么,究竟为什么要使用变频器呢?以及何种情况下,需要用到变频器对电机进行调速呢?


首先,让我们来看几个生活中经常遇到的场景:



PicSource:mcrazy

如果去一些比较老旧的大楼里乘坐电梯,在启动停止时,人们经常会有比较强烈的冲击感和眩晕,非常不舒服;而如果乘坐新型电梯,即使是高速电梯,乘客也已经基本感受不到其启停时的那种振动和冲击了,舒适性大大提高;



以前电风扇风量是用档位开关来进行调节选择的,有高、中、低档,风量从大到小,风扇的转速也是一档一档由高到低;而现在的新型风扇已经可以实现无级调速,风量的大小再也没有明显的档位,可以实现从高速到停止的无缝切换;



PicSource:NIO es8

燃油汽车 0-100km/h 的加速时间如果小于 6s,基本上是和普通百姓无缘的,属于高端奢侈消费产品;而各类电动汽车的横空出世,直接把这个指标缩短到 5s 以内,并且将整体落地价格做到仅仅几十万甚至十几万,让消费者轻松实现超跑梦想。
...
以上几个例子在我们身边触手可及,虽然大家未必能看到实实在在的变频器,但实际上在这些设备的背后或内部,其实都有变频器或者变频装置正在为大家默默的奉献着。
为什么曾经让人感到难受的电梯现在却变得很舒适;以往难以获得的推背感而今轻易就达到了呢?这其实都是因为变频技术的应用而带来的效益和改善。



PicSource:Thyssen-Krupp

通过使用变频器,电梯改善了其启动/停止时的加速度曲线,让轿厢的运行更加平稳,从而让人们获得更舒适的乘坐体验;借助变频装置对风扇电机转速的调节,使其运转和变速更加顺畅、舒缓;混动汽车加入变频逆变装置,将电池中的直流电变为交流电,驱动电机和发动机同时工作,轻松实现以前需要超大马力发动机才能实现的加速度。



PicSource:Altivar | Schneider Electric

而在工业领域,同样也有着庞大基数的变频器正在为改善人们的生活而服务于各行各业。
简单来说,用户使用变频器主要是为了解决这几个问题:
生产工艺需要

变频器需要在工业生产中,帮助机器设备完成一些最基本的应用功能。

由于生产节拍和产品物料的不同,设备需要灵活调整物料传送的运行速度。



PicSource:TB Wood's

通过在物料输送电机的电源侧增加变频器,借助其可变频率的交流电输出,即可根据需要随时调整物料输送电机的转速,从而实现对物料传送速度的灵活可调。
如《什么是变频器》一文中所说:
n = 60 f(1-s )/ p
  • n 为电机转速(r/min);
  • f 为电源频率(Hz);
  • s 为转差率;
  • p 为电机绕组极对数;

变频器通过改变输出电源频率 f,从而达到改变电机转速 n 的目的。
  • 转矩控制

在一些诸如收放卷的应用中,需要精确控制物料所承受的拉力,常规的方式是采用张力控制器(如磁粉张力控制器);而现在越来越多的用户开始采用变频器来进行张力控制。



PicSource:FR A800 | Mitsubishi Electric

变频器控制电机转矩的理论依据主要是以下两个式子:
电机功率
P = 1.732 * U * I * cosφ
  • P:功率( w );
  • U:电压( V );
  • I:电源电流( A );
  • cosφ:功率因数,即电压与电流相位差角度的余弦函数;

电机转矩:
T = P / n
  • T:电机转矩( Nm);
  • P:电机功率( w );
  • n:电机转速 ( rad / s );

从上面这两个式子不难看出,通过调节电机的电源电压、电流和转速,就可以达到控制电机输出转矩的目的了。
?? 并非所有的变频器都能够进行转矩控制,只有矢量控制型或直接转矩控制型变频器才支持转矩控制。



PicSource:Danfoss
节能增效

多数的风机/水泵,如果需要进行风量或者流量的调节,只要不是一直保持在恒速运行,那么使用变频器就可以达到非常好的节能效果。
以水泵为例,我们来看下这张图:



当电机转速从 N1 变到 N2时,
流量的变化关系如下:
Q2 / Q1 =( N2 / N1)
扬程的变化关系如下:
H2 / H1=( N2 / N1 )^ 2
其电机轴功率 P 的变化关系如下:
P2 / P1 =( N2 / N1 )^ 3
通过以上公式可以看到,电机的轴功率 P 是与电机的转速成 3 次方关系的;即:
电机转速降低一半,功率将仅为原来的 1/8!
所以,对于风机泵类负载来说,通过使用变频器来降低电机转速是可以达到极为显着的节能效果的。



PicSource:ABB

现在越来越多的游轮及工程船舶采用电力推进装置,通过使用变频装置将内燃机发出的电力经过整流逆变输送给推进电机,再带动螺旋桨旋转驱动船舶的行进。这种方式比起传统内燃机直接驱动螺旋桨的方式看起来似乎是多此一举,增加了能源消耗;而实际上这恰恰是利用了电机的高效率及上述功率与转速的 3 次方关系,在降低螺旋桨转速的同时,大大降低了电机的输出功率,同时让内燃机始终工作在最佳效率点,从而实现节能的目的。



PicSource:studyelectrical.com

另外,变频器的使用,还可以让电机对电网不再呈现为感性负载,将功率因数从 0.6~0.8 提升到 0.96 甚至 0.98,这将极大的降低电机的无功损耗,有助于能源利用率的提高,并因此在节能方面起到巨大的作用。
作为逆变电源

自从电的发明以来,电能的储存就只能以直流的方式进行。如何将直流电转为交流电供电气设备使用,在变频逆变装置出现前一直都是个难题,难点并不是方案的实现,而在于效率的提升。



PicSource:Danfoss

以前直流电转成交流电采用的是直流电机带动交流发电机的方案,从能源转化率来说,直流电机和交流发电机的效率基本都在 70-80% 左右,再加上机械损耗,综合效率充其量也就 50-60%。而变频器则不然,其自身的效率至少在 90% 以上,能源利用率大大提升。



PicSource:Danfoss

变频器因为有着灵活的频率调节特性,许多行业都将其作为中频电源并有着非常广泛的使用,这应该算是变频器作为逆变电源的另一个应用类型的分支吧。
降低启动冲击电流增加电机保护

严格来说,降低冲击电流及对电机的额外保护,其实是使用变频器所带来的额外福利,而并非初始目的。



要知道,电机直接启动时的冲击电流可以达到电机额定电流的 5-8 倍,这种电流无论是对电机还是电网来说都是一种伤害,对电机的供电装置也是一种考验。而由于变频器能够对频率进行无级调制,电机在启动时可以按照变频器设定的加速曲线进行缓慢的速度增加,这就避免了电流的突变,可以让电机启动电流长时间保持在额定电流以下,直至启动完成。



PicSource:SINAMICS | Siemens

另外,现在变频器都内置过压、过流、缺相、过载、过热、接地、安全...等等各种形形色色的保护功能,尽管多数情况下我们几乎感觉不到它们的存在,但是,这些功能在关键时刻却可以对设备起到至关重要的保护作用。



PicSource:KRONES

总之,变频器的使用场景是在不断的拓展的,现在的应用领域已经远远超越了当初发明者对其在功能上的设想,而如果我们以后在更多新的的场合看到变频器的应用,也应该不需要感到太过意外。
撰文:Mute
审编:麦总


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