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淺析變頻器在風機水泵設備上的應用效果
摘要：本文簡述了變頻傳動調速及變頻控制的基本原理，并結合我廠應用變頻器對風機、水泵進行節能改造的工程案例，闡述了變頻技術在有效降低設備電能損耗、提供企業經濟效益的重要意義。
關鍵詞:節能；變頻器 ；控制；電動機
變頻技術，就是通過技術手段，來改變用電設備的供電頻率，進而達到控制設備輸出功率的目的。是異步電動機節能的重要技術手段之一。
一、變頻傳動調速
變頻傳動調速，其應用目的就是通過對電機調速來達到節約能源。控制對象就是在動力設備上實現電―機轉換的電動機。這是由感應式異步電動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。由電機轉速的數學公式我們知道，電機的實際轉速，主要取決于電機定子的旋轉磁場（ n1=t*f/p）。對一個繞制好的電機，其旋轉磁場轉速完全取決供電頻率，t 為時間常數，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、轉子之間沒有任何電的連接，基于磁場感應和機械慣性，轉子的轉速和定子旋轉磁場的轉速總是不同步，差一個轉差數（一般為n1的1%―1.8%，）稱為轉差率S，由此可見電機的轉速也正比于電源的頻率。n2=t*f(1-s)/p從異步電動機變頻時機械特性曲線中，我們不難看出轉速的變化對電機的轉矩影響較小，對于傳動機械功率要求完全可以滿足。變頻調速控制是在降低輸出頻率的同時輸出電壓也相應降低，轉矩正比輸出電壓，轉矩也會有些減少。這種純電氣調速系統是人為地改變電動機的機械特性來獲得不同的轉速，直接與拖動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。變頻傳動調速的特點是：
1、不用改動原有設備包括電機本身；
2、可實現無級調速，滿足傳動機械要求；
3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動電流沖擊對電網的不良影響，減少電源容量的同時還可以減少機械慣動量，減少機械損耗；
4、不受電源頻率的影響，可以開環、閉環手動/自動控制；
5、低速時，定轉矩輸出、低速過載能力較好；
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，最大值并非時時刻刻都發生、負載的變化是非線性的，而電機的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非最大負載時電機輸出了相當一部分多余功率，電能也就白白浪費掉了。風機、水泵類就是較典型例子。
風機、水泵類風量和流量的控制在過去很少采用轉速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動機拖動，進行恒速運轉，當需要改變風量或流量時，事實上都采用調節擋風板或節流閥。這種控制雖然簡單易行，能滿足流量要求，但對電機來講，從節省能源的角度來看是非常不經濟的，生產中很容易檢測出來。這類設備一般都是長時間運行，甚至很久不停機。在實際檢測中發現，除在極短時間流量最大值外，近90％時間運行在中等或較低負荷狀態，總用電量至少有40％以上被浪費掉。采用變頻調速控制，對風機、水泵類機械進行轉速控制來調節流量的方法，對節約能源，提高經濟效益具有非常重要意義。
三、風機、水泵的節能方法
從流量控制原理上講，風機、水泵的結構和工作原理基本相同。
1、風機節電：具體測試我廠鍋爐房引風、鼓風控制系統。我廠是化學合成制藥企業，生產上對蒸汽的需求量特別大，現有2臺45t/h鍋爐，為滿足鍋爐的最大引風、鼓風量，分別安裝了引風機（Y4-73-14D）和鼓風機（G4-73-14D）各2臺,其中引風機電機功率為160KW,鼓風機電機功率為90KW,生產時4臺電動機全功率運轉。由于各車間對蒸汽的需求不均衡，蒸汽壓力波動比較大，它的壓力影響企業均衡生產及產品質量，要調節鍋爐的供汽量，就必須調節鍋爐引風、鼓風的供風量，而風量的調整只能調整風擋板的開度來達到目的，風擋板全開時引風機、鼓風機的電流分別是180A、97A，全關閉時電流分別是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、鼓風電機進行開環變頻調速控制，滿足鍋爐對引風、鼓風的技術要求，既滿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引風機
設定頻率（Hz） 運行電流(A) 負載率 輸入功率(Pin[1]) 24小時耗電量
(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鼓風機
設定頻率（Hz） 運行電流(A) 負載率 輸入功率(Pin[1]) 24小時耗電量
(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，輸出電壓也相應降低，輸入功率明顯減少，對應頻率降低時電壓降低電機不會有溫升，若頻率不變時電壓降低至浮動電壓下限值時，電機就會有溫升。
2、水泵節電：同風機原理很相近。以我廠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，是非線性負荷，而水泵電機基本上是線性恒功率輸出。1臺55KW冷卻水泵靠調整閥門來改變流量，雖然能滿足主機運行要求，但對于電機來講節電意義不大，閥門的全開和全閉，電流107A―97A之間變化，平均節電不足7％。通過改造采用溫度控制為主，壓力控制為鋪進行閉環變頻控制水泵電機，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電流163―148A之間變化，平均節電不足6％，經閉環控制變頻調速改造后，節電率平均也在30％以上。為什么會有這么大節電空間呢，因為系統設計時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），平時出現這種情況的概率極低，從經驗上講不到10%，空調系統大部分運行時間都在中、低負荷狀態，空調主機的負荷曲線是非線性的，而水系統的水泵負荷是線性恒功率的，以滿足主機的最大負荷為標準。這樣在主機非最大負荷時水泵就必然存在著電能浪費空間。通過變頻調速控制使水泵電機的負載曲線符合或接近空調主機的負載曲線。
四、變頻控制技術的顯性和隱性效益及利弊分析
顯性效益就是節電效益。變頻控制傳動調速對于負載性質和負載率的不同，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，節電率在20―47％左右。低壓設備變頻調速改造投資少、見效快。
隱性效益主要體現：
1、實現了電機的軟起、軟停，消除電機啟動電流對電網的沖擊，減少了啟動電流的線路損耗；
2、消除了電機因起、停產生的慣動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，延長了設備的使用壽命；
3、風機、水泵的軟起動、軟停機克服了原來停機時發生的水錘現象。
除上述的有利一面，同時也存在一些問題。低壓變頻器輸出波型為脈沖形式，會產生一些干擾。
高壓變頻設備干擾性很小，控制技術較高，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
在我廠生產中，陳舊、老化設備在生產中仍占較大的比重，能效比不高。水泵、風機通過變頻技術改造后，實現了電動機的軟起、軟停，有效保證了電動機的使用壽命，使電動機根據不同的工作狀態，運行在不同的頻率和轉速下，有效降低了設備的電能損耗，對提高企業經濟效益具有重要意義，變頻調速技術將繼續推廣應用。
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參考文獻:
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[2]姚錫祿.變頻器控制技術入門與應用實例.北京：中國電力出版社，2009
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[4]吳民強. 泵與風機節能技術問答.北京：中國電力出版社，1998
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