變頻調速技術(shù)在風(fēng)機、泵類(lèi)節能分析中的應用

變頻調速技術(shù)在風(fēng)機、泵類(lèi)節能分析中的應用

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機、泵類(lèi)設備應用范圍廣泛；其電能消耗和諸如閥門(mén)、擋板相關(guān)設備的節流損失以及維護、維修費用占到生產(chǎn)成本的7%～25%，是一筆不小的生產(chǎn)費用開(kāi)支。隨著(zhù)經(jīng)濟改革的不斷深入，市場(chǎng)競爭的不斷加??；節能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。
而八十年代初發(fā)展起來(lái)的變頻調速技術(shù)，正是順應了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的要求，開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)全新的智能電機時(shí)代。一改普通電動(dòng)機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動(dòng)機及其拖動(dòng)負載在無(wú)須任何改動(dòng)的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調整轉速輸出，從而降低電機功耗達到系統高效運行的目的。
八十年代末，該技術(shù)引入我國并得到推廣?，F已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機傳動(dòng)設備中得到實(shí)際應用。目前，變頻調速技術(shù)已經(jīng)成為現代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。卓越的調速性能、顯著(zhù)的節電效果，改善現有設備的運行工況，提高系統的安全可靠性和設備利用率，延長(cháng)設備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)隨著(zhù)應用領(lǐng)域的不斷擴大而得到充分的體現。
二、綜述
通常在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造業(yè)中風(fēng)機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風(fēng)系統等場(chǎng)合，根據生產(chǎn)需要對爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標進(jìn)行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風(fēng)門(mén)、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風(fēng)門(mén)、擋板的節流損失消耗掉了。在生產(chǎn)過(guò)程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產(chǎn)成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。
泵類(lèi)設備在生產(chǎn)領(lǐng)域同樣有著(zhù)廣闊的應用空間，提水泵站、水池儲罐給排系統、工業(yè)水（油）循環(huán)系統、熱交換系統均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據不同的生產(chǎn)需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進(jìn)行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路、閥門(mén)等密封性能的破壞；還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，嚴重時(shí)損壞設備、影響生產(chǎn)、危及產(chǎn)品質(zhì)量。
風(fēng)機、泵類(lèi)設備多數采用異步電動(dòng)機直接驅動(dòng)的方式運行，存在啟動(dòng)電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點(diǎn)。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護設備，時(shí)常出現泵損壞同時(shí)電機也被燒毀的現象。
近年來(lái)，出于節能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器（簡(jiǎn)稱(chēng)變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實(shí)現高功能化等特點(diǎn)；因而采用變頻器驅動(dòng)的方案開(kāi)始逐步取代風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)的控制方案。
變頻調速技術(shù)的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過(guò)改變電動(dòng)機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。
三、節能分析
通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類(lèi)設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。
以一臺水泵為例，它的出口壓頭為H0（出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差），額定轉速為n0,閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的管阻特性為r0,額定工況下與之對應的壓力為H1,出口流量為Q1。流量-轉速-壓力關(guān)系曲線(xiàn)如下圖所示。
在現場(chǎng)控制中，通常采用水泵定速運行出口閥門(mén)控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1，系統工作點(diǎn)沿方向I由原來(lái)的A點(diǎn)移至B點(diǎn)；受其節流作用壓力H1變?yōu)镠2。水泵軸功率實(shí)際值（kW）可由公式：P =Q？H／（η c？η b）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、η c 、η b 分別表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動(dòng)裝置效率，直接傳動(dòng)為1。假設總效率（η c？η b）為1，則水泵由A點(diǎn)移至B點(diǎn)工作時(shí)，電機節省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小50%至Q2時(shí)，那么管網(wǎng)阻力特性為同一曲線(xiàn)r0，系統工作點(diǎn)將沿方向II由原來(lái)的A點(diǎn)移至C點(diǎn)，水泵的運行也更趨合理。在閥門(mén)全開(kāi)，只有管網(wǎng)阻力的情況下，系統滿(mǎn)足現場(chǎng)的流量要求，能耗勢必降低。此時(shí)，電機節省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門(mén)開(kāi)度調節和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著(zhù)的節能效果。
另外，從圖中還可以看出：閥門(mén)調節時(shí)將使系統壓力H升高，這將對管路和閥門(mén)的密封性能形成威脅和破壞；而轉速調節時(shí)，系統壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會(huì )對系統產(chǎn)生不良影響。
從上面的比較不難得出：當現場(chǎng)對水泵流量的需求從100%降至50%時(shí)，采用轉速調節將比原來(lái)的閥門(mén)調節節省BCH3H2所對應的功率大小，節能率在75%以上。
與此相類(lèi)似的，如果采用變頻調速技術(shù)改變泵類(lèi)、風(fēng)機類(lèi)設備轉速來(lái)控制現場(chǎng)壓力、溫度、水位等其它過(guò)程控制參量，同樣可以依據系統控制特性繪制出關(guān)系曲線(xiàn)得出上述的比較結果。亦即，采用變頻調速技術(shù)改變電機轉速的方法，要比采用閥門(mén)、擋板調節更為節能經(jīng)濟，設備運行工況也將得到明顯改善。
四、節能計算
對于風(fēng)機、泵類(lèi)設備采用變頻調速后的節能效果，通常采用以下兩種方式進(jìn)行計算：
1、根據已知風(fēng)機、泵類(lèi)在不同控制方式下的流量－負載關(guān)系曲線(xiàn)和現場(chǎng)運行的負荷變化情況進(jìn)行計算。
以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M-4型電動(dòng)機，額定功率45kW。泵在閥門(mén)調節和轉速調節時(shí)的流量－負載曲線(xiàn)如下圖示。根據運行要求，水泵連續24小時(shí)運行，其中每天11小時(shí)運行在90%負荷，13小時(shí)運行在50%負荷；全年運行時(shí)間在300天。
則每年的節電量為：W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW？h
W2=45×13×（95%－20%）×300 =131625kW？h
W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW？h
每度電按0.5元計算，則每年可節約電費8.883萬(wàn)元。
2、根據風(fēng)機、泵類(lèi)平方轉矩負載關(guān)系式：P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時(shí)的功率；P為轉速n時(shí)的功率。
以一臺工業(yè)鍋爐使用的22 kW鼓風(fēng)機為例。運行工況仍以 24小時(shí)連續運行，其中每天11小時(shí)運行在90%負荷（頻率按46Hz計算,擋板調節時(shí)電機功耗按98%計算），13小時(shí)運行在50%負荷（頻率按20Hz計算，擋板調節時(shí)電機功耗按70%計算）；全年運行時(shí)間在300天為計算依據。