变频调速技术研究及其在风机、泵类应用中的节能分析

　　摘要：从变频调速的基本原理开始，讨论了电动机调与节能的关系，根据实验数据，结合生产实践中大量使用的风机、水泵进行分析，指出变频调速有利于节能及其它优势，并结合相关实例说明了使用变频技术带来的经济效益。
　　关键词：变频调速；节能；流量；频率；功率
　　
　　1.引言
　　我国的能源供应还很紧张，最大限度的利用能源是一种客观要求。而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。近年来变频技术被广泛的应用在生产、生活的各个方面，就是由于使用了变频技术可以大幅度提高能源的利用率。
　　通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
　　泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。
　　风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
　　近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而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。
　　变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
　　2. 变频调速
　　2.1变频调速的基本原理
　　在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。在其工作时首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上。根据交流电动机工作原理中的转速关系：
　　n=60f(1-s)/p
　　式中：f—水泵电机的电源频率（Hz）;p—电机的极对数；
　　由上式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。
　　2.2电动机调速与节能的关系
　　风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：
　　Q1/Q2=n1/n2
　　H1/H2=(n1/n2)²
　　P1/P2=(n1/n2)³
　　上述式中Q1、H1、P1分别代表转速n1时的流量、压力、功率。Q2、H2、P2分别代表转速n2时的流量、压力、功率。既流量与转速的一次方成正比；压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。
　　由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。例如：当转速降到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的（80%）³≈51%；若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的（40%）³≈6.4%。
　　风机（水泵）调节流量，可行的方式有两种：
　　第一种方式是保持电机的转速不变，通过调节风阀来调节流量。此时风机的H-Q特性曲线不变。而风阀开度发生变化，即管路的阻力特性发生了变化，即管路阻力增加。
　　第二种方式是管路的阻力特性保持不变（即风门不变），通过调节电机的转速来调节流量。这种方式所消耗的功率相对于第一种要小得多。调速是控制风机、水泵节能的相当有效的措施。
　　风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。
　　2.3电机在不同频率下运行的节电效果：P=N3（仅供参考）
　　1. 频率下降10%情况下的节电率：1-（1-10%）³=27.1%；
　　2. 频率下降15%情况下的节电率：1-（1-15%）³=38.6%；
　　3. 频率下降20%情况下的节电率：1-（1-20%）³=48.8%；
　　4. 频率下降10%情况下的节电率：1-（1-25%）³=57.8%；
　　5. 频率下降10%情况下的节电率：1-（1-30%）³=65.7%；
　　如果电机运行频率长期稳定在30%以下，且远期负载无扩张趋势，建议更换电机拖动系统，经济上更合算。
　　
　　3.变频挑速技术节省能源：
　　3.1传统的控制流量的办法是用阀门控制，而用阀门控制流量从100%流量减少到70%流量时能量只减少2%。而用变频调速控制以后，同样的降到70%流量，能量下降了52%，从而使系统的效率大为提高。国外资料表明：当工作点位于最大流量的80%时，使用风阀将消耗电机能量的93%，导流叶片消耗为70%，涡流联轴器消耗67%，而变频器消耗51%，差不多是风阀的一半；当气流量降至50%时，变频器只消耗15%，而联轴器消耗为29%，导流叶片消耗为49%，风阀为73%。这显示出在输送相同气流量情况下，风阀消耗的能量几乎是变频器的4倍。
　　3.2应用变频器调速的好处：
　　（1）、减少噪音，对风机来说降低转速的同时，噪音大幅度降低。
　　风机噪声抑制公式：（dB）log(速度1/速度2)，速度从100%降到50%的噪声降低量为55×log(1500/750)=55×0.30=16.5dB噪音电平降低了16.5分贝，这是一个很显著效果。
　　（2）、设备软启动，消除了启动冲击。
　　感应交流电动机的启动电流可以达到满载电流的7倍多，即便是采用Y-Δ启动电流也会达到4.5倍。所有启动方式都必需考虑到接通电源瞬间对电网的冲击，电机越大冲击越大，这就不得不加大相应供电设备的供电能力来承受冲击。而使用了变频器后则不然，它没有了启动冲击，启动电流由零开始随着负荷增加而逐步上升，不管什么时候它都不会超过满载电流，而且启动时间还可以人为设置，平稳地达到预设速度。
　　（3）、提高功率因数：
　　供电局对用户功率因数有严格要求。当低于90%时用户必须采取补偿措施，否则将罚款，反之则可受奖。而使用变频器后功率因数可接近1，免除了功率因数的补偿。
　　（4）、改善机械性能：
　　减小机械磨损。启动时间和停车时间均可设置，使运行平稳。消除了启动时的皮带打滑尖叫损坏皮带。延长了机械的使用寿命。
　　（5）、变频器有完善的保护：
　　由于变频器普遍使用了智能控制，所以保护十分完善。电气上的常规保护全都包括，而且还有许多，例如：电机/电源缺相；相间短路；接地故障；过/欠电压；变频器/电机过热；超速/低速报警；过载/空载报警等等保护。
　　（6）、操作简捷直观：
　　变频器设有显示屏，可迅速而简单地进行所需要的调试，编程及查询工作，显示器能提供有关变频器、电机和操作状态的信息。其中包括转速、频率、负载、千瓦小时、运行时间、报警状态等等。
　　（7）、变频器具有通讯功能：
　　现在不少变频器都具有工业网络通讯功能。例如标准的RS—485通讯。这就可方便地纳入BAS等网络的集散控制系统。
　　
　　
　　4.节能分析
　　4.1节能计算
　　对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：
　　1、 根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量—负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。
　　以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m³/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45Kw。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。
　　则每年的节电量为：W1=45×11×（100%-69%）×300=46035kW•h
　　W2=45×13×（95%-20%）×300=131625kW•h
　　W=W1+W2=46035+131625=177660kW•h
　　每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。
　　2、 根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）³计算，式中P0为额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。
　　以一台工业锅炉使用的22kW鼓风机为例。运行工矿仍以24小时连续运行，其中每天11小时运行在90%负荷（频率按46Hz计算，挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。
　　则变频调速时每年的节电量为：
　　W1=22×11×〔1-（46/50）3〕×300=16067kW•h
　　W2=22×13×〔1-（20/50）3〕×300=80309kW•h
　　Wb=W1+W2=16067+80309=96376kW•h
　　挡板开度时的节电量为：
　　W1=22×（1-98%）×11×300=1452kW•h
　　W1=22×（1-70%）×11×300=21780kW•h
　　Wd=W1+W2=1452+21780=23232kW•h
　　相比较节电量为：W=Wb-Wd=96376-23232=73144kW•h每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。
　　4.2实例分析
　　某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号6SA-8，额定流量53.5L/S，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37KW。对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下：
　　流量 时间 消耗电网输出的电能（kW•h）
　　L/S h 阀门节流调节 电机变频调速
　　47 2 33.2×2=66.4 38.39×2=56.8
　　40 8 30×8=240 21.16×8=169.3
　　30 4 27×4=108 13.88×4=55.5
　　20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7
　　合计 24 653.4 378.3
　　
　　5.结束语
　　由以上分析可知使用变频调速技术可以大幅度提高效率节约能源，具有十分可观的经济效益。风机、泵类等设备采用调速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，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式，既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。
　　参考文献
　　7.1变频调速泵供水原理及实践，《变频器世界》，1999，N010。
　　7.2多泵并联变频调速恒压变量供水水泵的配置与控制，《给水排水技术与产品信息》，2000，N03。
　　
　　西宁供水（集团）有限责任公司

《变频调速技术研究及其在风机、泵类应用中的节能分析》

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