变频回馈范文（精选5篇）
变频回馈 第1篇
关键词：变频器,能量回馈,交流异步电机
0 引言
随着能源短缺现象日益突出, 为了实现工业科学可持续发展, 国家发改委已将电机系统节能列为重点关注的节能工程之一。根据有关数据介绍, 中国年消耗电力18 500 k W·h, 其中有60%~70% (大约12 000亿k W·h) 属于动力电。而中国各类电动机的总容量是5.8亿k W, 其中87%左右是交流异步电机[1]。目前, 在交流异步电机的各种调速方式中, 变频调速因其效率高、精度高、调速范围大、能耗小的特点而被广泛应用, 据有关资料表明, 国内变频器市场销售额已从1993年不足4亿元跃升至2010年的200亿元[2], 说明国内变频器应用已经相当广泛。尽管变频调速较其他调速方式节能效果明显, 但是对于油田抽油机、矿山提升机、车间行车、起重机等的位能型负载;风机、离心机、动平衡机等的大转动惯量型负载以及轧钢机、大型龙门刨床、机床主轴等的快速制动类负载[3], 调速系统中的电机在制动过程中都不可避免地存在再生发电过程。对于能耗制动、反接制动和回馈制动这三种比较常用的电气制动方式[4], 现阶段变频调速系统常用能耗制动来消耗这部分再生能量, 导致了变频调速系统的效率下降、能量浪费。本文就目前如何回收利用这部分电机制动过程中电能的能量回馈技术现状作一个说明和比较。
1 通用变频器泵升电压及能耗制动
从结构上看, 变频器分为交—交和交—直—交两种形式。目前应用较多的是电压型交—直—交变频器。在应用这类变频器的变频调速电气传动系统中, 对于位能型负载、大转动惯量负载和快速制动类负载, 电机难免在制动过程中处于再生发电状态, 此时系统的机械能经电机转化为电能, 6个续流二极管利用主管断开时电机漏感产生的泵升作用将电机的再生电能回馈到直流回路中。图1所示为二极管续流时泵升作用等效电路图。
假定电容上的电压为UC, 绕组的反电动势为E。电动状态时, 此回路电压为UC-E, 电容电压为UC、电感电动势E同时吸收电感放出的电能;而发电状态下, 此回路电压为UC+E, 电容电压UC吸收全部能量, 包括电机制动时产生的电能[5]。而在电网交流侧的整流模块通常使用的是不可控二极管, 能量不能及时回馈至电网, 进而会导致直流侧电容电压升高, 影响变频器的正常工作。
为了消耗电机再生发电的能量, 确保变频器正常工作, 目前大多变频调速电气传动系统使用能耗制动的方式来处理这部分能量, 在变频器的直流侧并联制动单元或者制动电阻, 将再生能量通过电阻发热变成热能消耗掉, 能耗制动线路如图2所示。
制动单元和制动电阻的工作原理是通过检测变频器的直流侧电压来实现, 当直流侧电压超过某一个设定数值时, 打开制动单元的开关将大功率制动电阻连接到直流侧, 释放储存在变频器内滤波电容上的电能, 此时电阻将电能变成热能[3]。
这种制动方式的优点是成本低、接线简单;缺点是: (1) 浪费能量, 降低了系统的效率; (2) 电阻发热严重, 影响系统的其他部分正常工作; (3) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压, 制动响应慢, 制动转矩不足。
2 变频器能量回馈
为了克服能耗制动的缺点, 回收能耗制动浪费的能量, 变频器能量回馈技术应运而生。能量回馈技术是指变频调速系统将电机处于再生发电状态时产生的再生电能传输到电网上, 供附近其他用电设备使用, 达到有效节约电力资源的目的。
2.1 通用变频器能量回馈PWM技术
目前, 国内市场上使用较多的是通用变频器, 为了达到回馈制动的目的, 回收利用电机再生发电时的电能同时又尽量减少改造的成本, 通常做法是使用能量回馈单元取代原先并联在直流侧电容两端的制动单元和制动电阻。能量回馈单元的本质是有源逆变, 而根据采用的功率开关器件不同又分为晶闸管 (SCR) 有源逆变器和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 有源逆变器两种[6]。其工作原理如图3所示, 而通用变频器和能量回馈单元组成的通用变频器能量回馈PWM控制系统如图4所示。
能量回馈单元首先通过变频器内置的直流电压观测和电流运算电路实时检测变频器直流环节电压, 判断电机是否进入发电状态, 当电机进入发电状态导致变频器直流环节电压升高到一定值时, 再通过交流电压观测和同步发生电路控制由晶闸管或者IGBT组成的有源逆变模块把变频器直流环节的电能变换成一个和电网电源相接近的交流正弦波, 把电能反馈回电网再生利用。
通用变频器能量回馈PWM技术解决了能耗制动能量浪费、制动效率低等的一系列问题, 同时电路结构简单。王恩友[7]于2006年、王明泉[8]于2010年分别在矿山提升机的变频调速系统中应用了该技术, 节能效果明显, 综合节电率达到了20.5%;林敏、刘雪雁[9]等于2007年在抽油机变频调速系统中使用了该技术, 有功功率节电率达到了29.9%, 无功功率节电效果更达到了94.6%, 视在功率节电效率达到了73.2%。此外, 国内外的一些变频器厂商也在他们产品上应用这项技术, 如上海辛格林纳的i AStar-RG系列回馈制动单元、深圳加能的IPC-PF系列回馈制动单元、日本安川的RC5系列和D1000系列回馈制动单元、日本三菱的FR-CV系列回馈制动单元等, 它们均可用于电网的功率补偿, 网侧功率因数大于0.95。
同时, 通用变频器能量回馈PWM技术存在以下缺点: (1) 通用变频器本身不能实现能量的双向传递, 电机不能作四象限运行, 电机再生发电的电能传输到直流侧必定会产生泵升电压, 过高的泵升电压有可能损坏耐压较低的全控型器件、电解电容, 甚至会破坏电机的绝缘; (2) 电网电压的波动会导致中间直流环节电压不稳定, 影响能量回馈单元的正常工作。 (3) 回馈电流对电网有谐波污染。
2007年, Edward R[10]等就如何解决电网电压不稳定对能量回馈单元工作造成影响的问题作了研究, 2009年, 王福家、王旭东[11]等针对如何解决传统能量回馈制动系统回馈电流对电网的谐波污染作了进一步研究, 他们采用电流跟踪技术和正弦波细分技术得到了谐波成分低的回馈电流, 同时保证了回馈电流良好的正弦性, 有效解决了传统能量回馈系统回馈电流对电网的谐波污染。
2.2 公共直流母线技术
公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中, 采用单独的整流滤波装置为系统提供一定功率的直流电压, 调速用逆变器直接连接在公共直流母线上的技术。其系统结构框图如图5所示。
公共直流母线技术的工作原理是:当系统工作在电动状态时, 逆变器从公共母线上获取电能;当系统中一台或多台电机工作在发电状态时, 再生能量通过公共母线互馈共享, 以达到回馈再生能量的目的[12,13]。
公共直流母线技术存在以下几个优点: (1) 共用直流母线和整流单元, 可以大大减少整流器的重复配置, 并且可以大大减少变压器容量, 结构简单合理, 经济可靠。 (2) 公共直流母线的中间直流电压恒定, 电容并联储能容量大。 (3) 各电机工作在不同状态下, 能量回馈互补, 优化了系统的动态特性。 (4) 提高了系统的功率因数, 降低电网谐波电流, 提高系统的效率。2005年, Suzanne G[14]将公共直流母线技术应用于离心机变频群控系统中, 节能效果明显, 同时降低了系统过载的可能性, 提高了系统稳定性。2009年, 于祥春[12]在抽油机变频群控系统中应用公共直流母线技术, 节能效果明显, 平均有功节电率达到28.7%, 无功节电率更达到了81.8%。2010年, 夏乃学、白献刚[15]在他们发表的论文中指出公共直流母线变频器驱动的应用, 较好地解决电能消耗与电能回馈时间段不同步的问题, 降低电网干扰、提高了设备利用率。此外, 这项技术也被广泛应用在国外的一些知名变频器厂商的产品上, 如德国ABB的ACS800多传动系列变频器、德国SIMENS的SINAMICS S系列多机驱动变频器、美国艾默生CT系列变频器等[16]。
同时, 公共直流母线技术存在一些缺点:
(1) 公共直流母线技术仅仅适用于多电动机传动系统; (2) 系统中处于发电状态的电机容量要远小于工作在电动状态的电机容量, 否则系统不能正常工作。这些问题的存在限制了公共直流母线技术的应用。
2.3 超级电容储能技术
超级电容储能技术是在传统变频器的直流母线上并联容量大、寿命长、效率高的超级电容器储能装置。其系统结构如图6所示。
超级电容储能技术的工作原理是:将电机工作在发电状态下放出的再生能量存储起来, 当电机工作在电动状态时, 又将存储的能量释放出来供电机使用, 以达到回馈再生能量的目的。由于超级电容器的容量很大, 变频器直流环节电压不容易升高, 没有必要使用能量消耗的措施[17]。
超级电容储能技术的优点在于: (1) 再生能量回馈效率高, 转换效率基本可达99%以上; (2) 回馈电能不会对电网造成污染。各国学者在电梯节能系统、电动车回馈制动方面对超级电容储能技术做了大量研究工作[18,19,20]。
超级电容储能技术的缺陷在于目前超级电容器的容值一般在法拉级, 由于制造工艺和材料的限制, 超级电容器的体积非常庞大, 价格也相对昂贵, 技术相对不成熟。
2.4 双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术
双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术的出现满足了高速度大功率负载的需要, 系统的制动力矩大, 动态响应快速, 实现了电机的四象限运行, 消除了电网的谐波污染, 提高了功率因数, 克服了之前几种能量回馈技术的所有缺点。所谓双脉宽调制PWM变频器是采用PWM整流器和PWM逆变器的双PWM结构的变频器, 其打破了过去变频器的统一结构, 把不可控二极管整流改成了PWM整流。PWM整流器相对于不可控二极管整流对电网几乎不产生谐波污染, 是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。各国学者对其模型和控制算法进行了大量研究[21,22,23,24]。双脉宽调制PWM变频器能实现电机的四象限运行, 同时回馈电流能模拟市电的三相输出, 在变频器领域被广泛地采用, 其系统结构如图7所示。双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术的工作原理是:当电动机处于电动状态时, 能量由交流电网经整流器向中间滤波电容充电, 逆变器在PWM控制下将能量传送到电动机:当电动机处于再生发电状态, 其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电, 使中间直流电压升高, 此时整流器中开关元件在PWM控制下将能量回馈到交流电网, 完成能量的双向流动[25]。同时因PWM整流器闭环控制的作用, 使变频器直流母线电容端的直流电能转变为与交流电网同频率、同相位、同幅值的三相对称正弦波电能回馈给电网, 最大限度抑制了能量回馈对电网的谐波污染, 保证了回馈电能的功率因数等于1。
2007年, 尹忠刚、钟彦儒[26]等就将PWM整流器用作变频器前级整定电路, 进行了变频器能量双向流动实验, 实现了变频器能量回馈同时有效抑制注入电网的谐波。同年, Dixon[27]等在发表的论文中指出双PWM结构的变频器在驱动大功率电机同时还能保持高功率因数, 负载侧的波形失真极小。之后Wen[28]等在中压电机驱动系统中也验证了双PWM结构的变频器能确保高功率因数。2008年, 郭国柱、崔会朋[29]利用双脉宽调制PWM技术成功研制了新型矿用变频器, 实现电机精密稳定快速制动同时又节能。2009年, 李小军、李志垒[30]等将采用双脉宽调制PWM技术的变频器与传统变频器进行了比较, 前者输入的波形远胜于后者, 但由于高昂的产品费用, 并没有在采油平台上推广使用。2011年, 袁超、欧阳红林[31]利用双脉宽调制PWM技术成功研制了绿色级联型高压变频器, 实现了电能回馈电网, 解决了电网的污染问题。2012年, 陈洋、桂柯[32]在汽车冲压生产线上应用双脉宽调制PWM变频器, 实现了能量的有效管理, 节能效果明显。同时, 各大国外变频器厂商纷纷采用双脉宽调制PWM能量回馈技术, 如德国ABB的ACS800单传动系列变频器、德国SIEMENS的SINAMICS S150、SINAMICS SM150变频器、日本安川的G7系列变频器、德国施耐德的Altivar AFE变频器整流/回馈单元以及韩国SEOHO的SOHO-VDC系列变频器整流/回馈单元等, 它们都能够实现电网电能和电机再生能量的双向流动, 高效率反馈再生能量。
而双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术的缺点在于设备成本较高、控制复杂。
3 结语
回馈制动在变频器中的应用 第2篇
在一般的异步交流电动机传动中,电动机大都处于电动状态,电动机需要向电网吸收能量,但是由于负载的不同,在有些负载需要电动机快速制动,如轧钢中的辊道电机;或者负载具有一定的位置势能时,如天车钓钩的电机;异步电动机就有可能处于发电状态。如果电动机直接接到电网时,电机发出的电向电网回馈,但是这样对电网有较大的影响,如果电机由变频器拖动时由于变频器有中间储能环节,其储能是有限的,故电机发电状态时对变频器有较大的威胁。变频器在处理电机的再生发电时,有多种制动方法,如能耗制动、储能制动、回馈制动等。对能耗制动方法,电机发出的电会白白的浪费,同时能耗电阻会经常损坏;储能制动方法中储能也是有限的,同样对变频器有威胁,能量回馈是处理再生发电的好方法,又是制动的好方法。它保证了变频器的安全、节约了能量、同时增强了电机的制动功能。本文将对能量回馈的技术问题作一些讨论[5]。
2 简单的实施方案
系统结构如下图1所示,由LC滤波、整流块A、母线电容C、逆变块B和逆变块A的控制系统组成。电机一般工作在电动状态下,逆变块A作为整流用,在发电状态下,作为逆变回馈用,电机发电时,通过逆变块B中IGBT反并联的二极管整流,整流电压加在母线电容C上如果发电功率较大时,母线电压就会上升,直接威胁到整个系统的安全,这样就需要启动整流块A将多余的能量经过电感电容回馈到电网。电感将承受直流母线电压和电网线电压的差值,同时电感将缓冲谐波的无功功率。
要完成回馈制动,需要完成三方面的工作:1)检测电压何时开始回馈;2)保持回馈制动时与电网同频同相;3)回馈制动时限制回馈电流的大小[2]。
2.1 电压的检测
在电压检测中,主要检测直流母线电压和电网电压,检测电网电压时,一般需要考虑电网的波动,根据变频器的中间环节所能承受的直流电压,再利用回馈制动时,电网允许向上波动+20%,由此在直流电压检测时,在电压值为(1.2*√2)倍的电网线电压有效值时可以启动逆变块A工作,进入回馈制动状态[4]。
2.2 电网频率和相位检测
在回馈制动中,是否有效地回馈能量,关键是保证与电网同频、同相,并且回馈时要保证电网输出正电压时,输出负电流。其次,在回馈时要尽量选取电网线电压的高电压段,如图2所示,这样当回馈电流一定时可以获得较大的能量回馈功率[1]。
设定整流块A中的功率器件的开关状态要求与电网同步,同步信号如图2中(B)所示,下面是一种简单的同步信号控制方式,可以简单的得到V1-V6的同步方波脉冲。
2.3 回馈电流的控制
在回馈制动中,合理的控制回馈电流大小也是至关重要,回馈电流的大小必须满足能量回馈功率的要求,如果系统回馈功率小于电机在发电状态时的输出功率,在变频器的直流母线上电压就会继续升高。由于电网电压是一定的,系统回馈功率的大小是由回馈电流的大小决定的。另外回馈电流的大小必须控制在所使用的IGBT的额定范围内[3]。
回馈制动时,回馈电流变化速度较快,就需要采用有效的控制方式,一般采用滞环电流比较法控制,见如下框图4所示:
3 工程应用
这种回馈制动方法的变频器,从现场应用看:在回馈支路中通过使用一台自耦变压器来提高电源电压,以使在回馈过程中中间回路电压不会降低;在整流运行时使具有相位角控制的中间回路电压恒定降低,以使能进行回馈;降低中间回路电压仅仅是为了能通过一个尾部命令进行回馈,以使能在整流时充分使用电源电压并且不必为回馈而使用自耦变压器;回馈制动时变频器采用滞环电流比较法回馈制动的方式,母线电压比设定的基准电压高出多少即回馈多少,当高于2 0%时启动回馈制动,让能量回馈到电网从而保证了变频器安全工作。通过检测母线电压,看不到有较大的电压波动。回馈到电网波形比较好,采用适当的LC滤波后,对电网基本造成不了污染,滤波效果较好。节能效果也明显,与工频比较,综合节电率约在3 0%左右。10*18.5KW的辊道电极用变频后可直接采用变频电机拖动,可以平滑的进行调速,而可以不用绕线式电机,同时变频电机的使用寿命要比绕线式电机长2-3倍,因此可降低用户的维护费用,维护起来也比较方便。采用变频调速后,甩掉了原工频用的速度段切换交流接触器及调速电阻,使工人的操作环境大为改善,调速平滑,减轻了对电网及换挡的冲击,电流变化平稳,这是原工频状态所无法比拟的。
4 结束语
变频器如果所驱动的是辊道类负载,变频器应具备多种制动手段,回馈制动是重要的一种。我公司轧钢的辅传动变频装置上成功地应用了回馈制动,取得了很好的效果。回馈能量的波形必须好,回馈相位必须准确否则回馈会对电网造成冲击,技术关键在于此。
参考文献
[1]黄俊主编.半导体变流技术[M].北京:机械工业出版社,1986.
[2]林渭勋等编著.电力电子技术基础[M].北京:机械工业出版社,1990.
[3]陈伯时,冯晓刚等.电气传动系统的智能控制[J].电气传动,1997,27(1):3-8.
[4]陈伯时主编.自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1981.
变频回馈 第3篇
目前, 游梁式抽油机是应用最普遍的石油开采机械。机械采油用电也占了油田生产用电的很大一部分。据统计, 长庆油田采油三厂机械采油用电量占全厂用电量的52%, 且总体效率很低, 具体存在如下问题。
(1) “大马拉小车”, 电机功率容量大。
根据游梁式抽油机负载特性, 为确保抽油机驴头安装及防止抽油杆卡堵, 电机选配时起动力矩和堵转力矩要求至少是抽油机实际负载的3～4倍, 甚至更大。一般来讲, 抽油机配置的普通鼠笼式交流电机的过载力矩仅为正常值的1.5倍, 所配电机功率必须远远大于抽油机实际运行时的负载功率。
(2) 抽油机电机均在额定转速运行, 机械调参工作量大。
一般抽油机控制均未设计电气调速功能, 电机均按额定速度运行, 抽油机调参一般采用更换皮带轮、加大减速比或更换极数更高的电机等方法, 需要额外增加配件和设备投资, 工人劳动强度也相应增加, 而且机械调参范围小, 不能完全适应油井工况要求。
(3) 电网冲击、电压波动大, 污染重、电机易烧毁。
抽油机全压起动时电机电流达到其额定电流的6～8倍, 对电网冲击大, 电网电压骤降。抽油机下行时, 因抽油杆重力影响迫使电机工作在发电状态, 所发电能直接回送电网, 又造成电网电压升高。因此, 电网电压波动频繁, 电机烧毁事故较多, 维修费用高。同时所发电能谐波大, 污染电网。
(4) 功率因数低, 线路和电机无功损耗大。
电机“大马拉小车”, 负载变化大造成功率因数低 (0.01～0.5, 平均0.3) , 视在电流大, 配电变压器效率降低, 配电线路损耗增大, 对电力系统经济运行不利。
2 解决策略
“一拖多”转子变频能量回馈调速技术是以传统串级调速控制理论为基础, 结合现代电力电子技术, 专门实现绕线式电机交流无级调速的最新技术, 解决了功率因数低和谐波分量大两大技术瓶颈, 同时无论电机多少, 均只需1套逆变单元实现“一拖多”能量回馈功能, 便可控制每台电机转速。
2.1 调速系统工作原理 (见图1)
由图可以看出调速主要包括转子整流斩波调速和可控硅有源逆变回馈三部分, 整流器将三相转子输出频率变化的交流电变换成直流, 斩波器控制电机转速, 逆变器则将转差能量和再生能量 (直流) 逆变成和电网同频同相的50Hz交流电。
相比变频器技术来讲, “一拖多”转子变频能量回馈调速系统具有节电率高、结构简单、价格低等突出优点, 更易为用户接受, 将对我国节能减排和资源节约发挥重大作用, 也将彻底改变我国长期以来电机节能和生产工艺升级依赖进口变频器的被动局面。
2.2 绕线式电机的特点
绕线式电机是另一种工业生产中最主要的动力设备, 能在较小的起动电流下, 提供较大的起动转矩, 电动机具有效率高、过载能力强 (2.8～3倍) 、噪声低、起动转矩大等优点。在一些需要大力矩起动或低速大力矩运行的设备上选用的往往都是绕线式电动机。相比而言, 鼠笼式电机起动转矩小, 仅为额定值的1.5倍。
绕线式电动机的起动、调速一般通过对转子回路进行控制来实现, 常用的有串电阻调速、频敏电阻起动等, 但电阻调速和频敏电阻方式的起动、调速性能均不理想, 能耗大的问题始终难以回避。
转子变频能量回馈调速系统克服了电阻调速和频敏电阻起动的所有缺点, 充分发挥出绕线式电动机起动力矩大和过载能力强的优点, 无级调速性能优越, 特别是零速或低速运行时, 电机可全力矩输出, 同时系统功率因数高、谐波量小, 不需额外增加器件即可能量回馈, 性价比最高。此外“一拖多”技术还可以进一步降低了设备成本。
3 改造实例介绍
3.1 油井生产状况
旗8-31井场隶属于长庆油田公司第三采油厂新寨采油作业区, 目前该井场共有油井7口, 井组日产液17.85m 3, 日产油14.49t, 综合含水4.53%, 平均泵挂1793m, 平均冲程3.1m, 平均冲次4.0次/min, 平均液量2.55m 3, 平均油量2.4t, 平均泵效为14.5%。各油井生产状况统计如表1所示。泵效偏低, 具有一定优化空间, 通过动态调节冲次能够达到提高泵效的目的。
3.2 设备运行状况 (见表2)
目前井组使用采油长庆石油勘探局机械厂CYJW 8-3-26HF型抽油机, 抽油杆为宁夏油管杆厂生产的D级杆, 电机功率为15kW, 目前配套设备能够实现的最低冲次为3.5次/min, 需要通过变频调速来实现较低冲次运行。
3.3 油井能耗状况 (见表3)
试验前期对该井场油井系统效率进行测试, 7口井平均输入功率为3.6kW, 平均光杆功率为1.64kW, 平均有效功率为0.52kW, 平均地面效率为平均井下效率为平均系统效率为14.5%, 地面效率较低 (采油三厂平均为51%) , 其中电机负载率、功率因数比较低, 需要进行无功补偿或能量回馈。
4 改造方案设计
4.1 更换电机为绕线式电机
“一拖多”转子变频调速系统专门针对绕线式电机进行调速和控制, 抽油机原鼠笼电机必须更换为绕线式电机。电机功率及级对数一般不变, 但由于绕线式电机起动力矩大, 也可适当降低电机容量这样可减少电机功率损耗减少设备投资
4.2 控制系统更换为“一拖多”转子变频调速系统
原抽油机电机控制系统只能实现简起动和停车两种功能, 不能实现电机无级调速控制。更换为“一拖多”转子变频调速系统后, 电机能实现软起动、软停车, 采取电位器或数字控制等多种方式连续均匀调整电机转速, 实现电气调参, 调速范围为0～额定转速。
4.3 观察并调整抽油机平衡状态至最佳状态
原抽油机电机工作在额定转速状态, 机械特性硬。无论上冲程还是下冲程, 电机工作速度几乎不变, 抽油机平衡状态不能得到真实显现, 一般采用钳形电流表检测上、下冲程平衡状态也不准确, 抽油机起动、运行冲击振动均较大。“一拖多”转子变频调速系统软机械特性可让抽油机平衡状态一目了然, 无需钳形电流表监测, 可非常方便地将平衡负载调整到最佳状态电机按最省电方式运行
4.4 功率因数补偿
经平衡调整后, 系统功率因数可高达0.9以上, 无功功率和视在功率均大幅下降, 可大幅减少线路和电机无功消耗。
5 现场应用效果
2010年3月10日～12日, 宜昌市创新电器技术有限责任公司厂家对“一拖多”系统转子变频能量回馈调速安装, 包括现场安装配电柜、走线, 配套YCYX 180L-4型绕线式电机安装 (7台) , 目前系统运行正常。
为了对该改造方案的能耗状况进行全方位测试对比, 更换为“一拖多”转子变频调速系统之前, 先对旗8-31井组7台抽油机原装置分别完成系统效率、冲程、冲次、电能、产量等参数的测试, 再按以下两种方案进行测试对比见表
采用《油田生产系统能耗测试和计算方法》 (SY/T5264-2006) 、《油田生产系统节能监测规范》 (SY/T6275-2007) 及《石油企业节能产品节能效果测定》 (SY/T6422-2008) 测试标准进行测试和评定。测量仪器采用HIOKI3169-21型电能质量分析仪;测量精度:电压、电流、有功功率±0.2%rdg, ±0.1%F.S。
5.1 不调参测试
将抽油机电机及控制系统均更换为“一拖多”转子变频调速系统, 7台抽油机均保持冲程、冲次及平衡状态不变, 连续运行3～5天分别测试7台抽油机电能、冲次、液面高度及产量等参数。
5.2 优化调参测试
将抽油机运行参数调整到最优状态连续运行3～5天后进行测试。鉴于该方案为“一拖多”系统, 每台抽油机转差能量均通过1台逆变器进行集中回馈, 7台抽油机同时运行时无法测试单机数据, 因此测试单台抽油机时, 必须将其他6口井停下来, 再在系统电源总进线处测试, 即为单井运行参数。
(1) 不调参对比测试结果。
总系统测试和计算结果为:有功节电率为3.68%, 无功节电率93.11%, 综合节电率为10.15%。
(2) 调参对比测试结果。
总系统测试和计算结果为:有功节电率11.70%, 无功节电率76.87%, 综合节电率16.41%。
6 结论
(1) 转子变频系统在占空比100%的情况下, 即抽油机不调整冲次的前提下, 主要节约无功消耗, 由于电流的下降, 导致有功出力相应减少。
(2) 转子变频系统占空比和冲次有良好的线性关系, 可实现抽油机无级调参。
(3) 利用“一拖多”控制柜在旗8-31井组应用有功节电率11.70%, 无功节电率76.87%, 综合节电率16.41%, 节能效果明显。该装置在长庆油田丛式井组能够实现集中控制, 具有较好的推广前景
(4) “一拖多”控制, 即多台抽油机只需配1套逆变系统即可。容量可根据现场抽油机数量进行设计。有利于节约设备投资。适合在长庆油田及其他有丛式井组的油田推广使用。
(5) 该系统可增加RS485通讯接口, 方便用户进行远程数字化控制和管理, 减少人工现场作业劳动强度和维护管理费用。
(6) 该装置符合企业低成本发展战略的思路, 能带来良好的经济效益和低碳发展的社会效益
摘要：针对目前抽油机的能耗状况, 提出降低能耗的改造方案:将电机更换为绕线式电机后, 将控制系统更换为“一拖多”转子变频调速系统。通过对该方案的实施效果进行分析证明, 利用该方案有功节电率11.70%, 无功节电率76.87%, 综合节电率16.41%, 节能效果显著, 具有良好的经济效益和社会效益。
变频回馈 第4篇
在变频器节能领域, 目前技术种类比较齐全, 节能效果较为明显的有四象限变频器电能回馈方式、超级电容储能回馈方式等的应用, 市场节能效果较为明显, 但均属于新装电梯使用范围, 目前市场存量巨大的普通变频器则存在很大的技术改造空间。本文则主要对市场未采用电能回馈装置的存量变频器, 通过外部加装电能回馈模块来将电梯运行过程中储存在电容上的多余电能通过逆变装置回馈到电网, 供给楼宇其他设备用电, 同时减少制动电阻的发热量, 降低电梯机房温升, 减少甚至是停止空调的使用, 达到双重节能的效果, 同时也使得电梯机房的各类设备因环境温度的降低而延长使用寿命, 减少因高温导致的各类故障, 综合效应明显提高。
经过对市场存量的老旧变频器通过加装外部电能回馈装置的改造, 大大降低了改造成本, 节能效果显著, 节电约15%~45%, 具有显著的交流、推广和使用价值。
1 变频器电能回馈装置的研究与应用
1.1 电梯耗能工作模式
如图1所示, 电梯可分为三种基本工作模式, 即轿厢轻载、轿厢重载和轿厢与对重平衡三种模式。当轿厢满载上行 (空载下行) 时, 因轿厢侧重量大于 (小于) 对重侧, 曳引机电动机处于电动运行状态, 变频器必须施加和轿厢方向一致 (相反) 的转矩才能拖动负载;当轿厢满载下行 (空载上行) 时, 因轿厢侧重量大于 (小于) 对重侧重量, 轿厢侧 (对重侧) 势能转化为机械能, 曳引机电动机不但无需耗电, 还要将部分势能转化为电能, 电动机处于发电机状态, 变频器此时直流侧端电压迅速升高, 变频器工作在吸收电能的状态。当轿厢侧与对重平衡时, 无论轿厢上行或是下行, 变频器只需提供克服运行中的摩擦所耗能量即可, 当然此种平衡模式属于理想模式, 在实际运行中极少出现[1]。
需要指出的是, 运行中的轿厢挚停时, 电动机在快速制动时, 往往需要变频器工作于发电模式来吸收制动能量, 未经改造的传统变频器将这种电量通过制动电阻来消耗, 称之为能耗制动。无论是电梯的启动和制动还是上述三种状态下的运行, 变频器都在不断地做着吸收电能的工作, 如果其吸收的电能加以转换, 可以大大节约电能, 经济效益十分显著。
1.2 变频器电能回馈装置原理
能量回馈制动装置就是电梯曳引机电动机处在发电机运行状态, 变频器因吸收回馈电能而出现直流端电压升高时, 将吸收的多余电能回馈给电网。当曳引机电动机采用变频调速时, 其电能回馈制动装置主要通过变频器的回馈制动模块实现, 如图2所示[2]。
电能回馈装置将变频器直流端储存的多余的直流电经过IGBT模块逆变成恒频恒压的交流电, 再通过滤波电路后返送电网供其他用电设备使用, 减少市政用电量, 其节电量主要取决于电梯的使用量和楼层的高度, 一般节电率可达到15%~45%。
本文以日立GVF系列品牌电梯为例, 采用富士牌变频器, 在改造前测得直流母线静态电压和峰值电压分别为530 V和690 V, 制动电阻持续电流和峰值电流分别是15 A和25 A, 在夏季平均气温变化不大的外部环境下, 机房温度为35℃~48℃, 电梯机房必须通过空调降温。本文在改造中设置电能回馈设备工作电压为600~640 V之间, 制动电阻工作电压为680 V。通过设置回馈设备的阀值电压低于制动单元的工作电压, 来控制电能回馈设备比制动单元提前工作。这样连接电能回馈设备的电梯变频器直流母线电压就不会超过640 V, 制动单元不再投入工作, 制动电阻能耗减为零, 大大降低了电梯机房的温升。当电能回馈装置发生故障停止工作或者自我保护时, 变频器又可以通过之前的能耗方式将多余电能消耗在制动电阻上, 并不影响电梯的正常使用。发生故障的变频器电能回馈装置可以通过外部显示等方式告知维保人员进行及时维修。
变频器回馈制动设置条件:
(1) 电动机从高速 (高频FH) 到低速 (低频FL) 减速过程中, 频率减小, 电动机的机械惯性使得电动机转速大于同步旋转磁场转速n0, 此时转差s为负值, 电动机处于发电机状态, 这时的反电动势E大于端电压U。
(2) 势能负载, 如轿厢空载上行 (或满载下行) 时, 轿厢和对重侧的质量差使得电动机不仅不需要输出功率, 而且还要起到一定的制动作用, 出现实际转速大于电动机同步旋转磁场转速n0, 这时电动机处于发电机运行状态, 当然反电动势E大于端电压U[3]。
1.3 采用控制算法
本文改造中的控制方法采用电流追踪型正弦脉宽调制SPWM控制, 如图3所示。
这种控制算法将实测的直流母线电压与给定值进行比较相减, 它们的差通过PI电压调节器, 得到电流的给定值Id*;电流给定值Id*再与与电源电压相位检测后得到的三相正弦基准值相乘, 得到三相正弦输出电流的给定值, 然后与电流检测信号进行相减, 得到△Iabc, 之后经PI电流调节器处理后得到三相输出电压的给定值V*abc与三角载波进行比较的调制波作为开关管的触发信号。电流△Iabc的值直接控制了SPWM调制的占空比, 使实际输入电流接近参考电流的大小[4]。
这种变频器电能回馈控制算法具有开关频率固定、噪声小, 损耗小等优点。此控制方式算法略去了坐标变换的计算, 因此与采用矢量控制方式相比具有算法简单, 对控制器的计算能力要求较低的优点。
2 工程实际应用中节能效果的研究
2.1 节能效果的研究
为研究电梯变频器回馈装置在实际应用中的节电效果, 可用通过电能表记录其有功功率和无功功率的消耗情况, 通过定时定量的计算, 对比改造前后的数据, 得出总体的节能测算数据。电流钳表主要测量变频器输入端的电流, 对照改造前后的电流值, 说明变频器电能回馈装置工作情况正常, 接点功能有效。为使该改造工程更具参考意义, 特设置如下条件。
(1) 在工程研究中, 发现不同楼宇性质、不同的提升高度、不同功率的电机节能效果存在一定的差异, 究其原因发现:启制动频率较大的写字楼节电效果优于使用频率较小的住宅电梯;提升高度越大的电梯, 在相同情况下节能效果越明显;电梯额定速度越大的电梯, 改造后节能效果越显著。本文所测量的电梯数据, 主要来自写字楼宇, 提升高度30层左右, 梯速普遍在1.8 m/s及以上, 电梯曳引机电动机功率20.5 k W以上。
(2) 测试电表如图4所示。电能表1是测量改造后的总的用电量;电能表2用来测量变频器输入耗电量;电能表3采用“反接反计数”的感应式电表, 用来测量节电量。当系统引入变频器电能回馈模块后, 总耗电量=电能表1计量=电能表2计量-电能表3计量;当系统脱离电能回馈装置, 则总耗电量=电能表1计量=电能表2计量;在条件相同的情况下, 集中用2 h以上时间, 控制电梯轿厢上行、下行, 循环动作, 测得的量化数据如表1所示。
注:测量点为机房变频器三相电源总输入端;电机功率为20.5 k W;每天运行时间为18小时;每年运行天数为365天。
(3) 测试时注意检查一下其中电能3在上行时表盘会反转且读数会减小, 下行时表盘正转, 否则需要调试接线端子。测量点在机房变频器三相电源总输入端, 电机功率:20.5 k W, 每天运行时间:18小时, 连续监测。
2.2 回馈电能质量测量
在电能节电率方面取得了理想效果的情况下, 对于回馈电能的质量也不能忽视。节能改造后输入市电网络的电能主要存在以下问题需要克服。
(1) 避免高次谐波含量超标, 因为本次改造是在不改变原有变频器的基础上所做的增加节能回馈模块的方法, 因此容易导致网侧的电流谐波含量超标, 为此可对系统进行后续测量跟踪, 可采用加装额外滤波环节加以改善。
(2) 市电网络电压波动范围要符合要求, 由于电量回馈装置是直接将电能反馈给电网, 因此该装置对电网电能质量的影响也比较大, 本文所涉及的电梯多数来自写字楼宇, 多因楼宇本身都建有独立的变电房, 电能质量良好, 电压波动范围能限定在规定的范围之内。本次测试使用Fluke电能质量钳型表来测量电能质量的各项数据, 并与相关的国家标准对比, 图5为电能质量测量的现场照片, 表2为电能质量检测数据与国标的对比。
由上可以得出结论, 经改造后, 该能量回馈制动装置输出电能的质量完全符合国家相关标准, 总的节电率高达36%, 完全满足目前市场大量未经改造的存量电梯的改造要求, 该项目的研究与应用, 为实现低碳节能环保的现代电梯产业提供了较好的参考借鉴价值。
3 结束语
该节能方案针对市场存量电梯变频器的改造具有很高的推广价值。
摘要：阐述了变频器电能回馈装置的工作原理, 介绍了变频器电能回馈装置在电梯节能改造中的研究与应用, 并对改造后的节能效果进行了量化跟踪测量, 对当前市场巨大存量变频器电能回馈装置在节能改造方面的应用提供了技术参考和借鉴。
关键词：电梯,变频器,能耗制动,电能回馈,电梯提升高度,节能改造
参考文献
[1]戴广平.电动机变频器与电力拖动-第二章变频调速[M].北京:中国石化出版社, 1999.
[2]林梅丽.四象限变频器与传统变频器在电梯应用上的节能效果及输入指标对比[J].电气应用, 2012 (8) :40-43.
[3]刘永峰.变频回馈制动技术[J].变频器世界, 2008 (8) :53-55.
变频回馈 第5篇
减速器是综采工作面采煤机、刮板输送机、转载机、带式输送机的重要部件之一。阳泉煤业(集团)有限责任公司使用的减速器多为大功率、高精度进口产品,功率主要为250～800 kW,数量达200余台,单台价格为30万～120万元,重量最大的为7 t。
减速器使用过程中存在的最关键问题是缺乏带负荷加载试验手段,一般只作空载转动,不能发现备用减速器潜在的质量问题,导致如刮板输送机HB-KPL-45减速器在更换几小时后就损坏的情况出现。由于井下作业环境差,空间狭小,减速器的运输、更换十分困难,特别是对综采工作面前、后刮板输送机机头、机尾的减速器进行更换时,作业强度高,危险性大,稍有疏忽就会造成严重的人员伤亡和设备安全事故。因此,非常有必要对备用减速器在实际带负荷状态下的工作性能指标进行测试。
1煤机行业动力加载技术
根据被试动力机械功率大小和能量是否回馈,国内煤机行业动力加载试验系统分为能量消耗系统(包括电阻加载系统、液压加载系统、水力加载系统、液黏加载系统等)和能量回馈利用系统(包括直流(交流)发电机能量回馈加载试验系统、交流变频回馈加载试验系统)。目前这两种形式的试验系统在生产中都有应用,但能量消耗系统必将被淘汰。
在能量回馈利用系统中,直流(交流)发电机能量回馈加载系统需要庞大的加载电动机机组,费用高,占地面积大,调节繁琐,同时存在功率因数低、谐波含量大、低速段调节特性差等问题。近年来,高性能、高可靠性的大功率电子器件的出现和应用以及全数字四象限变频调速技术的发展为交流变频回馈加载技术的实现提供了可能[1]。该技术的主要特点:(1) 使用能量回馈式或互馈式形成能量闭环,减少试验能耗和设备容量,电网只需要提供系统初始电气耗能和机械摩擦损耗所需的能量;(2) 采用高性能矢量电动机控制技术,达到各种运行特性试验的调速、加载要求。
结合阳泉煤业(集团)有限责任公司生产发展的实际需求,采用交流变频回馈加载技术完成额定功率为200～800 kW的减速器加载试验。
2交流变频回馈加载试验系统的组成及原理
交流变频回馈加载试验系统结构及组成如图1所示。
(1) 供电变压器为400 kVA三相变压器,原边为用户供电电源,次边为星接、角接的2套绕组,线电压均为AC1 140 V,2套绕组均为200 kVA,共计400 kVA。2套绕组输出应接具有短路保护的隔离开关,可方便地隔离电网电源。
(2) 开关柜安装2台主回路接触器、1台主回路充电接触器、2只充电电阻、6只电压传感器、6只电流传感器。开关柜的主要作用是连接供电隔离开关,接收拖动逆变柜控制器指令,为后端电气柜提供充电及主回路分、合功能,并显示进线电压、电流。
(3) 整流柜主要由2套整流装置构成,还装有直流电压表、电流表及测量用的电压、电流传感器。每套整流装置进线侧装有3只熔断器。整流柜的主要功能是将2组AC1 140 V的三相电整流后并接,形成DC1 650 V电源接入2台逆变柜。
(4) 拖动逆变器、负载逆变器结构相同,主电路为两电平拓扑结构,主要由12只IGBT、驱动板、驱动电源、控制电源和控制器组成的逆变模块、支撑电容器、电压和电流传感器、放电接触器、放电电阻组成。控制器与控制台通过CAN总线通信,拖动逆变器的控制器通过控制连线与开关柜连接,控制开关柜中的充电回路、主回路接触工作。逆变器通过电流、电压传感器将检测到的电信号反馈到控制器,控制器根据控制台发来的指令和反馈的电信号发出PWM触发脉冲控制主回路IGBT工作,完成逆变功能[2,3]。当所控制的电动机为电动状态时,逆变器直流侧的电能流向电动机。当所控制的电动机运行在发电状态时,即该电动机有一原动机向其输入机械能,电动机的电能从电动机反馈到逆变器直流侧。所以拖动逆变器控制拖动电动机工作在电动状态,电能来自于直流侧;负载逆变器控制负载电动机工作在发电状态,电动机能量流向逆变器直流侧。
(5) 测试系统由1台测试柜、2台转速转矩传感器、温度传感器、振动传感器组成。测试柜装有工控机、UPS电源、打印机。工控机装有采集卡,可对所测信号进行转换并输入到工控机中。测试柜可控制测试的启停,也可通过与控制台的RS485通信,由控制台控制测试的启停。测试柜可处理、记录、存储、打印所采集的数据。
(6) 控制台通过总线控制拖动逆变器驱动拖动电动机按设定转速闭环运行,拖动电动机经转速转矩仪带动被试减速器运转,再经转速转矩仪带动负载电动机转动。
(7) 水冷系统由水箱,水循环冷却装置,管路,水泵,水冷控制器,电器柜,水压、流量、温度传感器等组成。水冷控制器内置PLC,可与系统控制台进行RS485通信。通过冷却的循环水可对2台逆变器、2台电动机、2台减速器进行冷却。控制台通过RS485通信控制水冷系统工作,水冷系统的各种参数也通过RS485通信反馈到控制台。
3交流变频回馈加载试验系统主要指标及功能
3.1 变频器控制系统的主要技术指标
(1) 稳定运行转速相对误差不超过±0.5%。
(2) 系统为转速转矩双闭环,控制方式能够根据不同的试验要求设定、改变、调整,在低速时也具有良好的运行性能。
(3) 系统正反两个方向的功能要求相同并具有相同的性能和精度。
(4) 系统分本地控制和网络控制两种操作方式。
(5) 系统具有过流、过压、过载、短路、超温、缺相等保护功能。
(6) 扭矩、转速、功率测量仪表同时显示输入端和输出端的扭矩、转速、功率、效率等多个参数值。
(7) 具有被试件试验的参数显示、储存、打印功能,并可绘制各种参数值之间的关系曲线。
3.2 减速器控制系统试验主要要求和实现的功能
(1) 同速比或不同速比、长时间、任意转速都可以加不同比例的载荷。
(2) 加载应以平缓可调的方式进行。
(3) 同时能显示转速、转矩、功率各4路信号,并能计算任意2路转速的速比和任意2路功率的机械效率。
(4) 减速器温度监测内容包括润滑油池油温、环境温度、高速端轴承温度、输出端轴承温度、进水温度、回水温度;系统设备温度监测内容包括变频器、电动机及发电机温度。
3.3 测量系统主要技术指标
(1) 转速测量环节,转速扭矩功率测量仪表与转速转矩传感器配套使用,精度为±0.2%F.S。
(2) 扭矩测量环节,转速扭矩功率测量仪表与转矩转速传感器配套使用,精度为±0.2%F.S。
(3) 功率测量运算精度P=0.000 104 7×转矩(N·m)×转速(r/min) ×1个字,相对误差不超过额定负载的±0.5%。
(4) 温度测量相对误差不超过允许最高平衡油温的±0.5%～ ±1%,数据采集卡与温度传感器配套使用,精度为±0.5%F.S。
(5) 噪声测量配置AWA5661精密脉冲声级计,测量误差不超过±1 dB(A),同时配置加速度传感器及DHF-7电荷放大器。
4结语
交流变频回馈加载试验系统的投运提高了设备质量的可靠性,解决了井下作业现场更换大件导致的安全问题,具有显著的社会和经济效益。
(1) 节能效果显著。
由于试验系统能量可循环利用,因此整个试验过程仅需消耗产品容量10%～20%的电能。
(2) 配电系统容量大幅度降低。
由于系统的节能特性,大大降低了对配电系统容量的要求,现用供配电系统容量仅为原来的25%,使装置的一次性投资大幅度减少。
(3) 占用空间明显下降。
试验系统设计时就考虑了被试对象的规格,因此完成系列试验只需一套主、从电力变换系统即可,减少了空间占用。
(4) 试验效率显著提高。
试验系统采用软件技术进行试验采样、分析和测试,整个试验程序的建立速度快,试验时间减少,显著提高了试验效率。
(5) 加载稳定,测试精度高。
系统采用非消耗型加载方式,发热少,负载稳定,测试精度高。
(6) 可靠性高。
系统具有软加载特性,并具有多种保护功能。
(7) 绿色化。
能量内部循环能够显著节电,减少了对环境的污染;其次,系统能量不回馈电网就不会对电网产生污染,符合国际电工委员会(IEC)制定的一系列标准。
参考文献
[1]王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2]李永东,得福奈尔B,大卫M.PWM供电的异步电机电压定向矢量控制[J].电气传动,1990(1):52-56.