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淺析變頻器在風(fēng)機水泵設備上的應用效果

　　摘要：本文簡(jiǎn)述了變頻傳動(dòng)調速及變頻控制的基本原理，并結合我廠(chǎng)應用變頻器對風(fēng)機、水泵進(jìn)行節能改造的工程案例，闡述了變頻技術(shù)在有效降低設備電能損耗、提供企業(yè)經(jīng)濟效益的重要意義。
　　關(guān)鍵詞:節能；變頻器 ；控制；電動(dòng)機
　　變頻技術(shù)，就是通過(guò)技術(shù)手段，來(lái)改變用電設備的供電頻率，進(jìn)而達到控制設備輸出功率的目的。是異步電動(dòng)機節能的重要技術(shù)手段之一。
　　一、變頻傳動(dòng)調速
　　變頻傳動(dòng)調速，其應用目的就是通過(guò)對電機調速來(lái)達到節約能源?？刂茖ο缶褪窃趧?dòng)力設備上實(shí)現電―機轉換的電動(dòng)機。這是由感應式異步電動(dòng)機的性能和特征決定，其次是由于所帶的負載對電機調速的負荷適應性所決定。由電機轉速的數學(xué)公式我們知道，電機的實(shí)際轉速，主要取決于電機定子的旋轉磁場(chǎng)（ n1=t*f/p）。對一個(gè)繞制好的電機，其旋轉磁場(chǎng)轉速完全取決供電頻率，t 為時(shí)間常數，P為電機的極對數，n1正比電源頻率f，從電機的結構上我們看到定、轉子之間沒(méi)有任何電的連接，基于磁場(chǎng)感應和機械慣性，轉子的轉速和定子旋轉磁場(chǎng)的轉速總是不同步，差一個(gè)轉差數（一般為n1的1%―1.8%，）稱(chēng)為轉差率S，由此可見(jiàn)電機的轉速也正比于電源的頻率。n2=t*f(1-s)/p從異步電動(dòng)機變頻時(shí)機械特性曲線(xiàn)中，我們不難看出轉速的變化對電機的轉矩影響較小，對于傳動(dòng)機械功率要求完全可以滿(mǎn)足。變頻調速控制是在降低輸出頻率的同時(shí)輸出電壓也相應降低，轉矩正比輸出電壓，轉矩也會(huì )有些減少。這種純電氣調速系統是人為地改變電動(dòng)機的機械特性來(lái)獲得不同的轉速，直接與拖動(dòng)機械相連接不需原機械設備做任何調整，這對于節能改造成本，保持原有機械性能都大有好處。變頻傳動(dòng)調速的特點(diǎn)是：
　　1、不用改動(dòng)原有設備包括電機本身；
　　2、可實(shí)現無(wú)級調速，滿(mǎn)足傳動(dòng)機械要求；
　　3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動(dòng)電流沖擊對電網(wǎng)的不良影響，減少電源容量的同時(shí)還可以減少機械慣動(dòng)量，減少機械損耗；
　　4、不受電源頻率的影響，可以開(kāi)環(huán)、閉環(huán)手動(dòng)/自動(dòng)控制；
　　5、低速時(shí)，定轉矩輸出、低速過(guò)載能力較好；
　　6、電機的功率因數隨轉速增高功率增大而提高，使用效果較好。
　　二、風(fēng)機、水泵節能―變頻控制
　　機電設備配合設計原則：電機的最大功率必須滿(mǎn)足負載下的機械功率和轉矩，對于不同的負載，最大值并非時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生、負載的變化是非線(xiàn)性的，而電機的輸出功率卻是恒定的，這就意味著(zhù)在非最大負載時(shí)電機輸出了相當一部分多余功率，電能也就白白浪費掉了。風(fēng)機、水泵類(lèi)就是較典型例子。
　　風(fēng)機、水泵類(lèi)風(fēng)量和流量的控制在過(guò)去很少采用轉速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動(dòng)機拖動(dòng)，進(jìn)行恒速運轉，當需要改變風(fēng)量或流量時(shí)，事實(shí)上都采用調節擋風(fēng)板或節流閥。這種控制雖然簡(jiǎn)單易行，能滿(mǎn)足流量要求，但對電機來(lái)講，從節省能源的角度來(lái)看是非常不經(jīng)濟的，生產(chǎn)中很容易檢測出來(lái)。這類(lèi)設備一般都是長(cháng)時(shí)間運行，甚至很久不停機。在實(shí)際檢測中發(fā)現，除在極短時(shí)間流量最大值外，近90％時(shí)間運行在中等或較低負荷狀態(tài)，總用電量至少有40％以上被浪費掉。采用變頻調速控制，對風(fēng)機、水泵類(lèi)機械進(jìn)行轉速控制來(lái)調節流量的方法，對節約能源，提高經(jīng)濟效益具有非常重要意義。
　　三、風(fēng)機、水泵的節能方法
　　從流量控制原理上講，風(fēng)機、水泵的結構和工作原理基本相同。
　　1、風(fēng)機節電：具體測試我廠(chǎng)鍋爐房引風(fēng)、鼓風(fēng)控制系統。我廠(chǎng)是化學(xué)合成制藥企業(yè)，生產(chǎn)上對蒸汽的需求量特別大，現有2臺45t/h鍋爐，為滿(mǎn)足鍋爐的最大引風(fēng)、鼓風(fēng)量，分別安裝了引風(fēng)機（Y4-73-14D）和鼓風(fēng)機（G4-73-14D）各2臺,其中引風(fēng)機電機功率為160KW,鼓風(fēng)機電機功率為90KW,生產(chǎn)時(shí)4臺電動(dòng)機全功率運轉。由于各車(chē)間對蒸汽的需求不均衡，蒸汽壓力波動(dòng)比較大，它的壓力影響企業(yè)均衡生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量，要調節鍋爐的供汽量，就必須調節鍋爐引風(fēng)、鼓風(fēng)的供風(fēng)量，而風(fēng)量的調整只能調整風(fēng)擋板的開(kāi)度來(lái)達到目的，風(fēng)擋板全開(kāi)時(shí)引風(fēng)機、鼓風(fēng)機的電流分別是180A、97A，全關(guān)閉時(shí)電流分別是165A、90A，輸入功率在145KW-160KW之間變化，節電率不足9%。針對這一特殊要求，制定方案，對其中兩臺引風(fēng)、鼓風(fēng)電機進(jìn)行開(kāi)環(huán)變頻調速控制，滿(mǎn)足鍋爐對引風(fēng)、鼓風(fēng)的技術(shù)要求，既滿(mǎn)足鍋爐蒸汽壓力流量的需要，又大大節約了電能，按照這一方案改造后，節電效果特別明顯，在正常蒸汽需求情況下，設定不同頻率運行，測定參數如下：
　　 160KW引風(fēng)機
　　設定頻率（Hz） 運行電流(A) 負載率 輸入功率(Pin[1]) 24小時(shí)耗電量
　　(kWh) 與工頻下輸入功率比較：節電率
　　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鼓風(fēng)機
　　設定頻率（Hz） 運行電流(A) 負載率 輸入功率(Pin[1]) 24小時(shí)耗電量
　　(KWh) 與工頻下輸入功率比較：
　　節電率
　　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：變頻器當輸出頻率降低時(shí)，輸出電壓也相應降低，輸入功率明顯減少，對應頻率降低時(shí)電壓降低電機不會(huì )有溫升，若頻率不變時(shí)電壓降低至浮動(dòng)電壓下限值時(shí)，電機就會(huì )有溫升。
　　2、水泵節電：同風(fēng)機原理很相近。以我廠(chǎng)VC公司冷水機組水系統90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例：主機制冷是根據溫度的變化而工作，是非線(xiàn)性負荷，而水泵電機基本上是線(xiàn)性恒功率輸出。1臺55KW冷卻水泵靠調整閥門(mén)來(lái)改變流量，雖然能滿(mǎn)足主機運行要求，但對于電機來(lái)講節電意義不大，閥門(mén)的全開(kāi)和全閉，電流107A―97A之間變化，平均節電不足7％。通過(guò)改造采用溫度控制為主，壓力控制為鋪進(jìn)行閉環(huán)變頻控制水泵電機，水泵電機平均節電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機靠調節閥門(mén)電流163―148A之間變化，平均節電不足6％，經(jīng)閉環(huán)控制變頻調速改造后，節電率平均也在30％以上。為什么會(huì )有這么大節電空間呢，因為系統設計時(shí)的最大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項極限指標為依據計算的（即人流最大、氣溫最高、空間散熱最差），平時(shí)出現這種情況的概率極低，從經(jīng)驗上講不到10%，空調系統大部分運行時(shí)間都在中、低負荷狀態(tài)，空調主機的負荷曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，而水系統的水泵負荷是線(xiàn)性恒功率的，以滿(mǎn)足主機的最大負荷為標準。這樣在主機非最大負荷時(shí)水泵就必然存在著(zhù)電能浪費空間。通過(guò)變頻調速控制使水泵電機的負載曲線(xiàn)符合或接近空調主機的負載曲線(xiàn)。
　　四、變頻控制技術(shù)的顯性和隱性效益及利弊分析
　　顯性效益就是節電效益。變頻控制傳動(dòng)調速對于負載性質(zhì)和負載率的不同，節電率也是不同的，低壓變頻控制設備，一般負載率在0.5左右時(shí)，節電率在20―47％左右。低壓設備變頻調速改造投資少、見(jiàn)效快。
　　隱性效益主要體現：
　　1、實(shí)現了電機的軟起、軟停，消除電機啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，減少了啟動(dòng)電流的線(xiàn)路損耗；
　　2、消除了電機因起、停產(chǎn)生的慣動(dòng)量對設備的機械沖擊，大大降低了機械磨損，減少設備的維修，延長(cháng)了設備的使用壽命；
　　3、風(fēng)機、水泵的軟起動(dòng)、軟停機克服了原來(lái)停機時(shí)發(fā)生的水錘現象。
　　除上述的有利一面，同時(shí)也存在一些問(wèn)題。低壓變頻器輸出波型為脈沖形式，會(huì )產(chǎn)生一些干擾。
　　高壓變頻設備干擾性很小，控制技術(shù)較高，輸出電壓波形近似正弦波形，但設備體積較大，安裝調試都比較復雜。
　　
　　結論
　　在我廠(chǎng)生產(chǎn)中，陳舊、老化設備在生產(chǎn)中仍占較大的比重，能效比不高。水泵、風(fēng)機通過(guò)變頻技術(shù)改造后，實(shí)現了電動(dòng)機的軟起、軟停，有效保證了電動(dòng)機的使用壽命，使電動(dòng)機根據不同的工作狀態(tài)，運行在不同的頻率和轉速下，有效降低了設備的電能損耗，對提高企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義，變頻調速技術(shù)將繼續推廣應用。

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　　[4]吳民強. 泵與風(fēng)機節能技術(shù)問(wèn)答.北京：中國電力出版社，1998