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關鍵詞：|交流傳動在我國的應用和展望|Applications and expectation of AC Drive in China|吳秋生|北京ABB電氣傳動系統有限公司|,低壓變頻器|,煙草機械
作者：吳秋生
摘要：摘要：變頻調速在我國已經使用了二十年以上的歷史，對提高我國工業的生產效率，改善用電情況產生了積極的作用，文中重點回顧了變頻調速技術在我國工業應用中的節能情況。回顧了變頻技術的發展過程，并且對變頻技術的前景作了展望。 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 我國變頻技術應用現狀
國內變頻調速技術經過十多年的應用推廣 , 得到了飛速發展 。變頻器己廣泛應用于國民經濟的各個行業。 促進了節能改造, 極大地提高了我國工業電氣傳動水平。但推進的力度 還不夠 , 變頻器應有的潛能還遠沒有充分發揮出來 。1997 年統計全國需進行調速改造的變頻器市 場大約有1500億元人民幣 ( 不包括后來新增的需調速設備 ), 但到 2001 年 , 改造不到10%( 包括高效節能電機的使用在內 ) 。距離國家 " 電機系統節能計劃 " 投資500 億元進行發展 的要求相距甚遠。這里有我國電網結構問題, 耗能大, 浪費多的電機設備多集中在大型企業, 主要是那些高壓電風機與水泵上 , 據有關資料統計報道 , 我國風機、水泵、空氣壓縮機總數 大約 4200 萬臺 , 裝機容量約 1.1 億萬千瓦。然而實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行。實際工作效率只有 60-40%, 損耗電能占總發電量的 40% 。多數 情況 , 設備不能跟隨工作狀況的變化及時調整運行設備的速度, 造成電能浪費 , 生產成本提高, 效益降低, 甚至造成環境污染。其原因包括技術，電網，資金和認識等問題。
變頻調速技術的應用和推廣，在工業生產中無非是解決兩大問題：一是節能，二是改善生產過程。
我國的產值能耗是世界上最高的國家之一。據統計，目前我國電機的總裝機容量己達 4 億 kw, 年耗電量占全國用電量的近 60%, 但我國 電機驅動系統的能源利用率卻非常低 , 基本上要比國外平均水平低20%，70%的電機只相當于國際 20 世紀 50 年代的技術水平 , 電機驅動系統能效比國外低 20% 左右 , 電能浪費十分嚴重。
要解決生產過程中能耗高的問題 , 除其它相關的技術問題需要改進外 , 變頻調速技術已成為節能及提高產品質量的有效措施 , 變頻調速的重要性日益得到了國家的重視 , 在國內推廣變頻器調速技術有著非常重大的現實意義和巨大的經濟價值及社會價值。"十五"期間, 要通過" 電機系統節能" 計劃的實施, 實現年節電1000億kwh , 實施重點耗能行業節能示范工程, 計劃在冶金、有色、建材、化工和石化等行業創辦節能示范工廠 , 通過對工藝、技術和設備的全面改造和大量使用節能材料 , 實現系統節 能帶動全國節能提效工作的進一步發展 。
從 20 世紀 90 年代初 , 隨著國內企業對變頻器認識的逐步深入和大量外國產品的入境 , 我國變頻器市場得以快速啟動。中國企業亦開始認識變頻器的作用并嘗試使用。經過十 余年的推廣和使用 , 變頻器己得到廣大企業用戶的認可，在20世紀90年代里, 變頻器大規模進人中國市場 , 在空調、電梯、冶金、機械、電子、石化、造紙、紡織等行業有十分廣闊的應用空間。目前在我國交流傳動市場占有大份額的變頻器產品主要是國外品牌，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公司等己在國內建廠生產部分系列品牌變頻器。
最先進入中國變頻器市場的是日本品牌 ,計有三墾公司的, 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。當時的變頻器多為以大功率晶體管為逆變元件的產品 , 屬于變頻器的第二代產品。不久，歐洲品牌則以更新的技術隨后進入中國。歐洲的品牌以更新的設計，更好的性能，更周到的服務，逐漸擴大了市場，經過十幾年的應用檢驗，成為用戶的首選品牌。
歐洲大公司變頻器技術在不斷發展，從控制策略到制造工藝都在飛快的提高，使得變頻器產品已進入了第四代技術。其性能亦能和直流傳動技術相當，有相當一部分應用領域可以采用交流傳動，效果亦相當理想。
二 交流傳動的應用
（一）風機泵類的應用
在相當一類工業企業中使用了大量的風機水泵。按不同工況的需要，功率有大有小，電壓有高有低。由于他們在設計選型時都有功率裕量，因而他們都有很大的節能潛力。據有關部門的統計 , 泵與風機的 耗電量約占全國電力消耗總量的 50% 左右。目前 , 泵 與風機運行中還有很大的節能潛力 , 其潛力挖掘的主 要方向是提高泵與風機的運行效率。據估計 , 提高泵 系統和風機系統運行效率的節能潛力達 200~400 億 KWh , 相當于 4-8 個裝機容量為 1000MW 級的大型火 力發電廠的發電總量。
以火力發電企業為例 , 泵與風機當然是最主要的耗電設備。據前幾年的統計資料表明, 全國火力發電廠下述八種泵與風機 : 送風機、引風機、一次風機、排粉風機、 鍋爐給水泵、循環水泵、凝結水泵、灰漿泵配套電動機的總容量為 12829 MW , 年總用電量為 450.2 億 kwh, 占 l994 年全國火力發電量的 5.8% 。調查結果表明 : 火電廠上述泵與風機的節能潛力巨大 , 還有總容量約為3913 MW的泵與風機需要進行節能改造 , 完成這些改造 后 , 估計年節電量可達 25.69 億 kwh 。需要改造的 lOOMW 以上機組的風機、水泵達 2469 臺。
再比如，冶金企業是我國的能耗大戶 , 單位產品能耗高出日本的3倍 , 法國的4.9 倍 , 印度的1.9 倍。冶金企業使用的風機泵類非常多，僅就軋鋼均熱爐為例，其基本的生產過程可分為四個部分：裝人，加熱，保溫，出鋼。加熱升溫期一般將熱負荷給定最大 , 這時熱風以最大量供給爐膛；保溫期間 , 風量減少約為加熱期的60%；出鋼期間風量約為加熱期的30%；裝入鋼坯期間風量為零。根據均熱爐這一工況 , 可見對其風機實施變頻改造 , 可以大幅度的節約電能。不僅如此，改造前均熱爐調節風量是通過調節預熱器 出口位置的熱風放散閥 , 爐膛需要減少風量時 , 熱風放散閥開啟 , 熱風直接放散到預熱器外 , 帶走大量熱量 , 造成熱量 損耗 ,采用變頻改造后 , 不存在多余風量問題 , 可使裝鋼后預熱器保證足夠的溫度，從而還節約了1-7%煤氣燃料。減少氧化燒損，改善鋼錠均熱質量。
我國是水泥工業大國 , 水泥工業作為我國基礎 性原材料工業的支柱之一 , 在國民經濟可持續發展中具有舉足輕重的地位。目前水泥產量已達到 7 億噸以上 , 約占世界水泥總產量 1/3 。國民經濟穩步高速發展需要保持一個較大的建設規模。大規模的房屋建筑、基礎設施和工程建設都要求建筑材料的支柱產品一水泥在未來有更大的發展。目前水泥的應用己滲透 到國民經濟建設的每個角落 , 各種民用建筑與工業廠房建設、海洋與水工工程、機場與路橋建設、地下與海底隧道工程以及國防、航天、石油等特殊工程 應用 ,因此，我國國民經濟的迅速發展帶動了建材和水泥工業的興旺發展 ,水泥生產過程同樣大量使用交流電機，有許多應用場合需要通過改變轉速達到節能和改善工藝的需求，比如原料礦石的破碎，堆取，研磨，均化；旋窯的驅動，窯尾風機，窯頭風機，蓖冷風機的調速；煤粉制備等等都可以通過合理的應用變頻調速達到節能的目的。
與此類似的還有石油化工企業等，也都大量的使用了很多風機和泵，還有大功率的擠壓機或壓縮機等等。
在這些應用中，由于技術發展的原因，早期的電氣設備不具備對交流電機進行方便調速的功能，所以電機的速度是恒定的，對風量和水流量的調節采用機械的方法，電能的浪費特別大。再者，電力部門從減小電機啟動對電網的沖擊和工作當中線損的角度出發 , 希望提高供電電壓。于是造成現在在某些行業中，大量使用著200KW及其以上功率的高壓供電電機。于是，高壓變頻技術及高壓變頻器裝置便出現了。經過十幾年的發展，特別是新型高壓電力電子器件的出現，使高壓變頻技術和高壓變頻裝置有了極大的提高。
按現在變頻技術水平，大功率電力電子器件水平，采用低壓供電方案，滿足3000KW以內電機功率的供電是不成問題的。尤其是變頻調速控制方式實際上對電機起動過程來說是最好的軟啟動方式。采用變頻器調速后, 起動電流被限制在 額定值內，減小電網沖擊，免除電機的機械損傷，減小供電回路的開關容量，減輕設備維護量。
在沒有變頻技術的年代里，由于電網直接供電的原因，電機功率以200KW為分界，區分出高壓供電電機和低壓供電電機。現在有了變頻技術及變頻器，保護供電電網已經不成問題了，高低壓供電的分界點也就隨之產生了變化。經過對技術方案的研討，對設備投資的比較，分界點一般認為在800-1000KW是合適的。即800KW以下的電機，采用低壓變頻器供電更合適，大于1000KW的電機可以考慮使用高壓變頻器供電方案。當然在3000KW以內，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公司等都有相應產品。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構成的高壓大功率逆變橋，應用ABB公司的獨家專利技術DTC對電機進行調速控制，使產品的性能和可靠性都達到了極高的水平。
（二） 改善工藝水平的應用
上述應用場合要求傳動裝置功率大，電壓高。但對速度和力矩控制的精度和響應并無特殊要求。
與此相對應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機泵類以外，還有許多行業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。比如金屬加工行業中的帶材軋制過程，線材軋機，拉絲機械，銑面，縱剪，復合加工，連鑄連軋，酸洗，矯直，剪切等等。這些工藝過常常要求多臺電機之間要有精確的速度配合，或是要求力矩能快速的跟隨負載的變化而變化。這些特性同時也是造紙行業，紡織印染行業，化纖行業，橡塑行業，印刷，包裝，膠片制備和涂布等等行業所需要的。
上述各類加工過程，其產品的質量和產量除和加工機械有關外，還依賴于電氣傳動設備以及電氣系統的構成水平。
還有一些對控制要求特殊的應用，比如提升機應用。提升機廣泛的用于沿海沿江的港口碼頭，集裝箱集散地，工礦企業，電站航天造船等大型設備的安裝場合。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快慢是衡量電氣傳動技術的重要指標。因為這一類純位勢負載的特性是被提升物一旦離開地面便沒有了<< p="">
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