交流传动在我国的应用和展望

关键词：|交流传动在我国的应用和展望|Applications and expectation of AC Drive in China|吴秋生|北京ABB电气传动系统有限公司|,低压变频器|,烟草机械

作者：吴秋生

摘要：摘要：变频调速在我国已经使用了二十年以上的历史，对提高我国工业的生产效率，改善用电情况产生了积极的作用，文中重点回顾了变频调速技术在我国工业应用中的节能情况。回顾了变频技术的发展过程，并且对变频技术的前景作了展望。 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  我国变频技术应用现状

国内变频调速技术经过十多年的应用推广 , 得到了飞速发展 。变频器己广泛应用于国民经济的各个行业。 促进了节能改造, 极大地提高了我国工业电气传动水平。但推进的力度 还不够 , 变频器应有的潜能还远没有充分发挥出来 。1997 年统计全国需进行调速改造的变频器市 场大约有1500亿元人民币 ( 不包括后来新增的需调速设备 ), 但到 2001 年 , 改造不到10%( 包括高效节能电机的使用在内 ) 。距离国家 " 电机系统节能计划 " 投资500 亿元进行发展 的要求相距甚远。这里有我国电网结构问题, 耗能大, 浪费多的电机设备多集中在大型企业, 主要是那些高压电风机与水泵上 , 据有关资料统计报道 , 我国风机、水泵、空气压缩机总数 大约 4200 万台 , 装机容量约 1.1 亿万千瓦。然而实际情况大多是大马拉小车、无论轻载重 载都以一种恒速的方式运行。实际工作效率只有 60-40%, 损耗电能占总发电量的 40% 。多数 情况 , 设备不能跟随工作状况的变化及时调整运行设备的速度, 造成电能浪费 , 生产成本提高, 效益降低, 甚至造成环境污染。其原因包括技术，电网，资金和认识等问题。

变频调速技术的应用和推广，在工业生产中无非是解决两大问题：一是节能，二是改善生产过程。

我国的产值能耗是世界上最高的国家之一。据统计，目前我国电机的总装机容量己达 4 亿 kw, 年耗电量占全国用电量的近 60%, 但我国 电机驱动系统的能源利用率却非常低 , 基本上要比国外平均水平低20%，70%的电机只相当于国际 20 世纪 50 年代的技术水平 , 电机驱动系统能效比国外低 20% 左右 , 电能浪费十分严重。

要解决生产过程中能耗高的问题 , 除其它相关的技术问题需要改进外 , 变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施 , 变频调速的重要性日益得到了国家的重视 , 在国内推广变频器调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。"十五"期间, 要通过" 电机系统节能" 计划的实施, 实现年节电1000亿kwh , 实施重点耗能行业节能示范工程, 计划在冶金、有色、建材、化工和石化等行业创办节能示范工厂 , 通过对工艺、技术和设备的全面改造和大量使用节能材料 , 实现系统节 能带动全国节能提效工作的进一步发展 。

从 20 世纪 90 年代初 , 随着国内企业对变频器认识的逐步深入和大量外国产品的入境 , 我国变频器市场得以快速启动。中国企业亦开始认识变频器的作用并尝试使用。经过十 余年的推广和使用 , 变频器己得到广大企业用户的认可，在20世纪90年代里, 变频器大规模进人中国市场 , 在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间。目前在我国交流传动市场占有大份额的变频器产品主要是国外品牌，如芬兰的 ABB 公司，德 国 的

Simense公司、伦茨公司， 法国的施耐德公司 , 丹麦的丹佛斯 , 日本的富士、日立、安川 , 明电舍、春日等等，还有欧陆、 CT，威肯，松下、欧姆龙，A 一 B 、GE 和 摩托托尼，三星、ANSALDO等等 。其中ABB公司、Simense公司等己在国内建厂生产部分系列品牌变频器。

最先进入中国变频器市场的是日本品牌 ,计有三垦公司的, 富士公司的，后来又有了东芝公司的、三菱公司的，安川公司的等等。当时的变频器多为以大功率晶体管为逆变元件的产品 , 属于变频器的第二代产品。不久，欧洲品牌则以更新的技术随后进入中国。欧洲的品牌以更新的设计，更好的性能，更周到的服务，逐渐扩大了市场，经过十几年的应用检验，成为用户的首选品牌。

欧洲大公司变频器技术在不断发展，从控制策略到制造工艺都在飞快的提高，使得变频器产品已进入了第四代技术。其性能亦能和直流传动技术相当，有相当一部分应用领域可以采用交流传动，效果亦相当理想。

二 交流传动的应用

（一）风机泵类的应用

在相当一类工业企业中使用了大量的风机水泵。按不同工况的需要，功率有大有小，电压有高有低。由于他们在设计选型时都有功率裕量，因而他们都有很大的节能潜力。据有关部门的统计 , 泵与风机的 耗电量约占全国电力消耗总量的 50% 左右。目前 , 泵 与风机运行中还有很大的节能潜力 , 其潜力挖掘的主 要方向是提高泵与风机的运行效率。据估计 , 提高泵 系统和风机系统运行效率的节能潜力达 200~400 亿 KWh , 相当于 4-8 个装机容量为 1000MW 级的大型火 力发电厂的发电总量。

以火力发电企业为例 , 泵与风机当然是最主要的耗电设备。据前几年的统计资料表明, 全国火力发电厂下述八种泵与风机 : 送风机、引风机、一次风机、排粉风机、 锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵、灰浆泵配套电动机的总容量为 12829 MW , 年总用电量为 450.2 亿 kwh, 占 l994 年全国火力发电量的 5.8% 。调查结果表明 : 火电厂上述泵与风机的节能潜力巨大 , 还有总容量约为3913 MW的泵与风机需要进行节能改造 , 完成这些改造 后 , 估计年节电量可达 25.69 亿 kwh 。需要改造的 lOOMW 以上机组的风机、水泵达 2469 台。

再比如，冶金企业是我国的能耗大户 , 单位产品能耗高出日本的3倍 , 法国的4.9 倍 , 印度的1.9 倍。冶金企业使用的风机泵类非常多，仅就轧钢均热炉为例，其基本的生产过程可分为四个部分：装人，加热，保温，出钢。加热升温期一般将热负荷给定最大 , 这时热风以最大量供给炉膛；保温期间 , 风量减少约为加热期的60%；出钢期间风量约为加热期的30%；装入钢坯期间风量为零。根据均热炉这一工况 , 可见对其风机实施变频改造 , 可以大幅度的节约电能。不仅如此，改造前均热炉调节风量是通过调节预热器 出口位置的热风放散阀 , 炉膛需要减少风量时 , 热风放散阀开启 , 热风直接放散到预热器外 , 带走大量热量 , 造成热量 损耗 ,采用变频改造后 , 不存在多余风量问题 , 可使装钢后预热器保证足够的温度，从而还节约了1-7%煤气燃料。减少氧化烧损，改善钢锭均热质量。

我国是水泥工业大国 , 水泥工业作为我国基础 性原材料工业的支柱之一 , 在国民经济可持续发展中具有举足轻重的地位。目前水泥产量已达到 7 亿吨以上 , 约占世界水泥总产量 1/3 。国民经济稳步高速发展需要保持一个较大的建设规模。大规模的房屋建筑、基础设施和工程建设都要求建筑材料的支柱产品一水泥在未来有更大的发展。目前水泥的应用己渗透 到国民经济建设的每个角落 , 各种民用建筑与工业厂房建设、海洋与水工工程、机场与路桥建设、地下与海底隧道工程以及国防、航天、石油等特殊工程 应用 ,因此，我国国民经济的迅速发展带动了建材和水泥工业的兴旺发展 ,水泥生产过程同样大量使用交流电机，有许多应用场合需要通过改变转速达到节能和改善工艺的需求，比如原料矿石的破碎，堆取，研磨，均化；旋窑的驱动，窑尾风机，窑头风机，蓖冷风机的调速；煤粉制备等等都可以通过合理的应用变频调速达到节能的目的。

与此类似的还有石油化工企业等，也都大量的使用了很多风机和泵，还有大功率的挤压机或压缩机等等。

在这些应用中，由于技术发展的原因，早期的电气设备不具备对交流电机进行方便调速的功能，所以电机的速度是恒定的，对风量和水流量的调节采用机械的方法，电能的浪费特别大。再者，电力部门从减小电机启动对电网的冲击和工作当中线损的角度出发 , 希望提高供电电压。于是造成现在在某些行业中，大量使用着200KW及其以上功率的高压供电电机。于是，高压变频技术及高压变频器装置便出现了。经过十几年的发展，特别是新型高压电力电子器件的出现，使高压变频技术和高压变频装置有了极大的提高。

按现在变频技术水平，大功率电力电子器件水平，采用低压供电方案，满足3000KW以内电机功率的供电是不成问题的。尤其是变频调速控制方式实际上对电机起动过程来说是最好的软启动方式。采用变频器调速后, 起动电流被限制在 额定值内，减小电网冲击，免除电机的机械损伤，减小供电回路的开关容量，减轻设备维护量。

在没有变频技术的年代里，由于电网直接供电的原因，电机功率以200KW为分界，区分出高压供电电机和低压供电电机。现在有了变频技术及变频器，保护供电电网已经不成问题了，高低压供电的分界点也就随之产生了变化。经过对技术方案的研讨，对设备投资的比较，分界点一般认为在800-1000KW是合适的。即800KW以下的电机，采用低压变频器供电更合适，大于1000KW的电机可以考虑使用高压变频器供电方案。当然在3000KW以内，使用低压变频器供电方案也是没有问题的。在这方面，ABB公司，Simense公司，

Robincon公司等都有相应产品。特别是ABB公司的直接高压供电变频装置，采用了新一代电力电子器件IGCT构成的高压大功率逆变桥，应用ABB公司的独家专利技术DTC对电机进行调速控制，使产品的性能和可靠性都达到了极高的水平。

（二） 改善工艺水平的应用

上述应用场合要求传动装置功率大，电压高。但对速度和力矩控制的精度和响应并无特殊要求。

与此相对应的更多的是低压供电变频器的需求。除去低压供电的小功率风机泵类以外，还有许多行业要求变频器不仅具有很好的速度控制精度，还要有快速的，精确的力矩控制性能。比如金属加工行业中的带材轧制过程，线材轧机，拉丝机械，铣面，纵剪，复合加工，连铸连轧，酸洗，矫直，剪切等等。这些工艺过常常要求多台电机之间要有精确的速度配合，或是要求力矩能快速的跟随负载的变化而变化。这些特性同时也是造纸行业，纺织印染行业，化纤行业，橡塑行业，印刷，包装，胶片制备和涂布等等行业所需要的。

上述各类加工过程，其产品的质量和产量除和加工机械有关外，还依赖于电气传动设备以及电气系统的构成水平。

还有一些对控制要求特殊的应用，比如提升机应用。提升机广泛的用于沿海沿江的港口码头，集装箱集散地，工矿企业，电站航天造船等大型设备的安装场合。他不仅要有精确的速度控制特性，还要有极好的力矩控制特性。力矩控制的精确度和响应快慢是衡量电气传动技术的重要指标。因为这一类纯位势负载的特性是被提升物一旦离开地面便没有了<< p="">