浅议变频调节技术的节能应用

　　【摘要】本文探讨了变频调节技术在水泵和空调压缩机上的节能原理及其应用，简述变频技术是如何达到节能目的，并对变频技术未来的发展发出了呼吁。
　　【关键字】变频调速，节能，应用，水泵，空调压缩机
　　1.引言
　　变频调节技术自从其出现及推广以来，已经被广泛的应用于机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及压缩机、泵类等的节能场合,并取得了显著的经济效益。其优良的调节性能、显著的节电效果，能够改善现有设备的运行状况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点，随着其应用领域的不断扩大而得到了充分的体现。
　　压缩机、泵类设备多数存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点，不仅影响了设备的使用寿命，而且当负载出现机械故障时也不能瞬间动作保护设备，经常出现泵损坏的同时电机也被烧毁的现象。
　　近年来，出于节能的迫切需要以及对产品质量不断提高的要求，加上采用变频调速器易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，所以采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
　　2.实例应用
　　2.1．水泵的变频调节与应用
　　水泵运行时，通常采用阀门调节来满足工艺对流量的变化要求，即节流调节。在此过程中，水泵的固有机械特性不变，仅靠调节阀门的开度，人为增加管路的阻力来减小流量，劳动强度较大，同时由于阀门的强制节流使泵形成漩涡冲击，产生强烈的振动和噪声，加大了对泵的损耗。此外，由于电动机的转矩基本恒定，形成的供水压力较高，造成严重的节流功率损失及电力的浪费，增大了管路系统的损失，非常不利于水泵的节能运行。
　　目前，主要有以下几种调速方法[1]：1、笼型电动机定子调压调速；2、绕线型电动机转子串电阻调速；3、液力耦合调速；4、电磁耦合调速；5、变极调速；6、晶闸管串极调速；7、变频调速。
　　上述调速方法，在低速下节能效果都比较明显，都是可行的。但从调速性能上比较，最理想的还是变频调速。在50%的相对转速下，其他调速方法的功率因数一般不超过65%，而变频调速功率因数可达到85%左右。
　　2.1.1.水泵的变频节能原理
　　变频供水设备主要由变频器、控制系统及传感器等部分组成。其工作原理是:根据管网用水量的变化，调节水泵电机的电源频率和电压，控制水泵的转速，从而实现调节供水量及节能的目的。控制系统通过控制调频转速器将50HZ交流电以0～50HZ之间任意频率变送输出，实现交流电机的无极调速，最终达到生产过程的定量控制、最优化控制。
　　当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速;当变频系统为闭环时，随着反馈等要求的变化，根据设定值自动跟踪输出相应的频率。离心泵通常由三相交流异步电动机拖动，对水泵的调速是通过对其电机转速的调节来实现的。
　　水泵的工况点是由泵性能曲线和管道阻力曲线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节，从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或者管道阻力曲线来改变泵工况点来实现的，见图1
　　
　　
　　可以看出，如果不用减小出口阀门开度的方法控制流量，而是调节泵的转速，随着水泵输出压力的降低，消耗在阀门上的功率完全可以避免。所以，在经常改变工况运行水泵时，通过调节其转速来改变工况的节能方法是非常有效的。
　　
　　
　　
　　图1.
　　2.1.2.变频水泵的实际应用
　　变频水泵可用于生活消防泵合用的供水方式中。生活为低压区，计算机控制水泵处于低压变频调速状态，不仅可以保证生活用水，也可以节能省电。平时消防管网的压力由生活水泵保证处于存水有压状态，发生火灾打开消防栓时，管网中的流量开关迅速发出信号，启动消防泵，变频调泵自动转入人工频。消防和生活泵全部运行在共频状态，自动关闭电动阀门，压力升至最大，以保证消防用水的压力和流量。消防用水停止后，消防水泵自动关闭，恢复生活用水状态。由此实现一套供水系统满足不同的需求。
　　2.2.压缩机的变频调节与应用
　　随着社会经济的持续发展和人们生活水平的不断提高，人们对空调的需求越来越大，如何使空调系统在提高舒适性的同时又达到节能的目的已经成为一个越来越重要的问题。空调设计运行时，传统上按全年定风量运行，所耗电功率不变。为了调节风量，一般采用调节阀措施，但对电机和风机所耗的功率没有改变，造成了能源的浪费。
　　变频空调性能与普通空调相比，可以自动适应负荷的变化,调速范围广，电动机的磁通保持一定，降频控制,温度波动范围在1℃内,软启动,启动电流很小，平滑无冲击，延长设备使用寿命。自动时以低频维持,比普通空调省电30%。低电压运转性能也比较好，制冷、制热速度快,热冷比大于140%。化霜准确快速,只需常规空调一半的时间。春季除湿性能低频运转,可以只除湿基本不降温[2]。
　　2.2.1.变频空调的2种主要技术
　　1、直流调速变频技术
　　采用直流变频压缩机,压缩机定子产生旋转磁场和转子永磁磁场作用,实现压缩机的运转。其特点是:效率高，噪音低。直流变频压缩机效率比交流变频压缩机的高出10%～30%,噪音低5分贝～10分贝。
　　2、交流变频技术
　　采用交流变频压缩机,通过定子、转子之间的磁场的相互作用使转子旋转。这种设计使得可以在较大范围内通过改变电源频率和电压从而改变电机的转速。其特点有效率较高,噪音较低,控制灵敏，而且其成本比直流变频空调低。
　　2.2.2.压缩机变频节能原理及方案
　　压缩机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，它们之间应满足：
　　
　　式中，Q为风量；Qe为额定风量；T1为变频运行时风压；Te为额定风压；P1为变频运行时电机的消耗功率；Pe为电机额定功率；n1为变频运行转速；ne为额定转速。调节电机转速，就可以相应地调节输入压缩的功率，降低功率的损耗。这就是采用变频调速达到节能的原理。根据
　　
　　式中，n为电机转速；f为电源频率；P为电机极对数，S为转差率。改变异步电动机的电源频率，即可调节转速，该法是最简单、最有效的交流异步电动机调速方法，利用该法可达到调节出口压力及功率的目的。
　　对压缩机的出口压力取样，经过闭环自动调节控制技术，其优势在于电动机启动时不会产生冲击电流，压缩机的使用寿命和检修周期都可以延长。而且，由于供气压力稳定，通过压力调节器，可使压缩机保持在设定的压力值下工作，压缩机的排气量可由其转速来控制，气缸的内阀片不再反复开起和关闭，阀座和弹簧等工作条件也得到改善，有效避免了高温和高压气体急剧的流动和冲击。还考虑了变频和工频的自由切换功能，一旦变频控制系统发生故障，可立即切换到工频状态下工作[3]。系统控制框图见图2。
　　
　　图2压缩机变频节能系统框图
　　3.结束语
　　压缩机、泵类等设备采用变频调节技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视。实践证明，变频器用于压缩机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调节控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，而且由此而大大减少了设备的维护、维修费用，还降低了停产周期，经济效益十分明显。
　　面对变频调速系统如此巨大的应用范围和广阔的发展前景,我们应该投入更多的人力和物力,对变频调速技术加大研究力度,使该项技术的发展和应用迈上一个新的台阶，为生产和生活中的节能降耗工作带来更加积极的作用。
　　
　　【参考文献】
　　[1]唐绪荣，浅谈水泵变频调节供水，内蒙古水利，2011,1：140-142
　　[2]龙辉，变频空调原理和性能比较，益阳职业技术学院院报，2006,2（2）：59-61
　　[3]黄华，变频技术在压缩机上的应用，风机技术-节能，2011,3：59-60

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