浅析变频器在风机水泵设备上的应用效果

　　摘要：本文简述了变频传动调速及变频控制的基本原理，并结合我厂应用变频器对风机、水泵进行节能改造的工程案例，阐述了变频技术在有效降低设备电能损耗、提供企业经济效益的重要意义。
　　关键词:节能；变频器 ；控制；电动机
　　变频技术，就是通过技术手段，来改变用电设备的供电频率，进而达到控制设备输出功率的目的。是异步电动机节能的重要技术手段之一。
　　一、变频传动调速
　　变频传动调速，其应用目的就是通过对电机调速来达到节约能源。控制对象就是在动力设备上实现电―机转换的电动机。这是由感应式异步电动机的性能和特征决定，其次是由于所带的负载对电机调速的负荷适应性所决定。由电机转速的数学公式我们知道，电机的实际转速，主要取决于电机定子的旋转磁场（ n1=t*f/p）。对一个绕制好的电机，其旋转磁场转速完全取决供电频率，t 为时间常数，P为电机的极对数，n1正比电源频率f，从电机的结构上我们看到定、转子之间没有任何电的连接，基于磁场感应和机械惯性，转子的转速和定子旋转磁场的转速总是不同步，差一个转差数（一般为n1的1%―1.8%，）称为转差率S，由此可见电机的转速也正比于电源的频率。n2=t*f(1-s)/p从异步电动机变频时机械特性曲线中，我们不难看出转速的变化对电机的转矩影响较小，对于传动机械功率要求完全可以满足。变频调速控制是在降低输出频率的同时输出电压也相应降低，转矩正比输出电压，转矩也会有些减少。这种纯电气调速系统是人为地改变电动机的机械特性来获得不同的转速，直接与拖动机械相连接不需原机械设备做任何调整，这对于节能改造成本，保持原有机械性能都大有好处。变频传动调速的特点是：
　　1、不用改动原有设备包括电机本身；
　　2、可实现无级调速，满足传动机械要求；
　　3、变频器软启、软停功能，可以避免启动电流冲击对电网的不良影响，减少电源容量的同时还可以减少机械惯动量，减少机械损耗；
　　4、不受电源频率的影响，可以开环、闭环手动/自动控制；
　　5、低速时，定转矩输出、低速过载能力较好；
　　6、电机的功率因数随转速增高功率增大而提高，使用效果较好。
　　二、风机、水泵节能―变频控制
　　机电设备配合设计原则：电机的最大功率必须满足负载下的机械功率和转矩，对于不同的负载，最大值并非时时刻刻都发生、负载的变化是非线性的，而电机的输出功率却是恒定的，这就意味着在非最大负载时电机输出了相当一部分多余功率，电能也就白白浪费掉了。风机、水泵类就是较典型例子。
　　风机、水泵类风量和流量的控制在过去很少采用转速控制方式，基本上都是由鼠笼型异步电动机拖动，进行恒速运转，当需要改变风量或流量时，事实上都采用调节挡风板或节流阀。这种控制虽然简单易行，能满足流量要求，但对电机来讲，从节省能源的角度来看是非常不经济的，生产中很容易检测出来。这类设备一般都是长时间运行，甚至很久不停机。在实际检测中发现，除在极短时间流量最大值外，近90％时间运行在中等或较低负荷状态，总用电量至少有40％以上被浪费掉。采用变频调速控制，对风机、水泵类机械进行转速控制来调节流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有非常重要意义。
　　三、风机、水泵的节能方法
　　从流量控制原理上讲，风机、水泵的结构和工作原理基本相同。
　　1、风机节电：具体测试我厂锅炉房引风、鼓风控制系统。我厂是化学合成制药企业，生产上对蒸汽的需求量特别大，现有2台45t/h锅炉，为满足锅炉的最大引风、鼓风量，分别安装了引风机（Y4-73-14D）和鼓风机（G4-73-14D）各2台,其中引风机电机功率为160KW,鼓风机电机功率为90KW,生产时4台电动机全功率运转。由于各车间对蒸汽的需求不均衡，蒸汽压力波动比较大，它的压力影响企业均衡生产及产品质量，要调节锅炉的供汽量，就必须调节锅炉引风、鼓风的供风量，而风量的调整只能调整风挡板的开度来达到目的，风挡板全开时引风机、鼓风机的电流分别是180A、97A，全关闭时电流分别是165A、90A，输入功率在145KW-160KW之间变化，节电率不足9%。针对这一特殊要求，制定方案，对其中两台引风、鼓风电机进行开环变频调速控制，满足锅炉对引风、鼓风的技术要求，既满足锅炉蒸汽压力流量的需要，又大大节约了电能，按照这一方案改造后，节电效果特别明显，在正常蒸汽需求情况下，设定不同频率运行，测定参数如下：
　　 160KW引风机
　　设定频率（Hz） 运行电流(A) 负载率 输入功率(Pin[1]) 24小时耗电量
　　(kWh) 与工频下输入功率比较：节电率
　　25 75 0.25 15.4 369.6 (2112-369.6)/2112*100%=
　　82.5%
　　30 90 0.30 23.5 564 (2112-564)/2112*100%=
　　73%
　　35 80 0.37 45 1080 (2112-1080)/2112*100%=
　　48%
　　40 130 0.40 64 1536 (2112-1536)/2112*100%=
　　27%
　　45
　　 155 0.45 79 1800 (2112-1800)/2112*100%=
　　14%
　　50 180 0.55 88 2112 (2112-2112)/2112*100%=0
　　90KW鼓风机
　　设定频率（Hz） 运行电流(A) 负载率 输入功率(Pin[1]) 24小时耗电量
　　(KWh) 与工频下输入功率比较：
　　节电率
　　25 33 0.25 20.1 482.4 (1296-482.4)/1296*100%=63%
　　30 41 0.30 24.3 583.2 (1296-583.2)/1296*100%=55%
　　35 52 0.37 28 672 (1296-672)/1296*100%=
　　48%
　　40 58 0.40 32.4 777.6 (1296-777.6)/1296*100%=40%
　　45
　　 76 0.45 36.5 876 (1296-876)/1296*100%=
　　32%
　　50 97.2 0.55 54 1296 (1296-1296)/1296*100%=
　　0
　　需要指出的是：变频器当输出频率降低时，输出电压也相应降低，输入功率明显减少，对应频率降低时电压降低电机不会有温升，若频率不变时电压降低至浮动电压下限值时，电机就会有温升。
　　2、水泵节电：同风机原理很相近。以我厂VC公司冷水机组水系统90KW冷冻泵和55KW冷却泵为例：主机制冷是根据温度的变化而工作，是非线性负荷，而水泵电机基本上是线性恒功率输出。1台55KW冷却水泵靠调整阀门来改变流量，虽然能满足主机运行要求，但对于电机来讲节电意义不大，阀门的全开和全闭，电流107A―97A之间变化，平均节电不足7％。通过改造采用温度控制为主，压力控制为铺进行闭环变频控制水泵电机，水泵电机平均节电率都在30％以上；90KW冷冻水泵电机靠调节阀门电流163―148A之间变化，平均节电不足6％，经闭环控制变频调速改造后，节电率平均也在30％以上。为什么会有这么大节电空间呢，因为系统设计时的最大容量是以人流、气温、空间散热三项极限指标为依据计算的（即人流最大、气温最高、空间散热最差），平时出现这种情况的概率极低，从经验上讲不到10%，空调系统大部分运行时间都在中、低负荷状态，空调主机的负荷曲线是非线性的，而水系统的水泵负荷是线性恒功率的，以满足主机的最大负荷为标准。这样在主机非最大负荷时水泵就必然存在着电能浪费空间。通过变频调速控制使水泵电机的负载曲线符合或接近空调主机的负载曲线。
　　四、变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析
　　显性效益就是节电效益。变频控制传动调速对于负载性质和负载率的不同，节电率也是不同的，低压变频控制设备，一般负载率在0.5左右时，节电率在20―47％左右。低压设备变频调速改造投资少、见效快。
　　隐性效益主要体现：
　　1、实现了电机的软起、软停，消除电机启动电流对电网的冲击，减少了启动电流的线路损耗；
　　2、消除了电机因起、停产生的惯动量对设备的机械冲击，大大降低了机械磨损，减少设备的维修，延长了设备的使用寿命；
　　3、风机、水泵的软起动、软停机克服了原来停机时发生的水锤现象。
　　除上述的有利一面，同时也存在一些问题。低压变频器输出波型为脉冲形式，会产生一些干扰。
　　高压变频设备干扰性很小，控制技术较高，输出电压波形近似正弦波形，但设备体积较大，安装调试都比较复杂。
　　
　　结论
　　在我厂生产中，陈旧、老化设备在生产中仍占较大的比重，能效比不高。水泵、风机通过变频技术改造后，实现了电动机的软起、软停，有效保证了电动机的使用寿命，使电动机根据不同的工作状态，运行在不同的频率和转速下，有效降低了设备的电能损耗，对提高企业经济效益具有重要意义，变频调速技术将继续推广应用。

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　　参考文献:
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　　[2]姚锡禄.变频器控制技术入门与应用实例.北京：中国电力出版社，2009
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　　[4]吴民强. 泵与风机节能技术问答.北京：中国电力出版社，1998