變頻器在風機、水泵中的節(jié)能應(yīng)用

徐建宇

摘要：由風機、水泵類負載節(jié)能，來闡述變頻器是控制風機、水泵實現(xiàn)節(jié)能最佳方式，對提高自動化程度，減少人為因素的影響進行較詳細分析，通過實例計算來證明在理論上是正確的，雖然初期一次性投資比較大，但從長遠上來看在經(jīng)濟上是值的。

關(guān)鍵詞：風機；水泵；節(jié)能；功率因數(shù)；變頻器

前言

風機、水泵作為工業(yè)和生活中的通用機械有應(yīng)用量大、應(yīng)用面廣的特點，其配套電機量也是巨大的，有資料統(tǒng)計，風機、水泵的耗電量占全國總發(fā)電量的20%以上，由于容量和工藝原因，大多數(shù)的風機、水泵類負載存在著不同程度上的電能浪費，在提倡節(jié)約能源的今天，減少浪費，節(jié)能問題的研究也迫在眉睫，變頻控制是目前最好方法。

1.風機、水泵負載節(jié)能原理

傳統(tǒng)風機、水泵流量的設(shè)計均以最大需求來設(shè)計，其調(diào)整方式采用擋板、風門、回流、起停電機等方式控制，無法形成閉環(huán)回路控制，也較不考慮省電的觀念，但實際使用中流量隨著各種因素而變化，往往比最大流量小的多，要減少流量時，通常情況下只能調(diào)節(jié)檔板和閥門的開度，閥門控制法的實質(zhì)是通過改變管網(wǎng)阻力大小來改變流量，而這種控制方式當所需流量減小時，壓力反而會增加，故軸功率的降低有限，此時，過剩的風機、水泵功率將導致壓力增加造成很大的能量損耗。

由流體力學原理可知：流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，如果水泵效率一定，當流量下降時轉(zhuǎn)速成比例下降，而此時對軸輸出功率p成立方關(guān)系下降；風機、水泵變頻節(jié)能控制可在保持閥門、擋板開度不變的前提下，通過改變風機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，其實質(zhì)是通過減少流體動力來節(jié)電。這種控制方式可從根本上消除風機、水泵設(shè)備，由于選型或負荷變化普遍存在的“大馬拉小車”的動力浪費現(xiàn)象，消除了擋板截流阻力，使風機、水泵始終運行在最佳工作狀態(tài)。

2.風機、水泵變頻控制特點

2.1異步電動機原理n=60f/p（1-s），可知變頻調(diào)速是風機、水泵調(diào)速最佳方法，風機、水泵電機直接啟動或Y/D啟動，啟動電流為其額定電流的4～7倍；這樣會對電機設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的電流和震動時對擋板和閥門損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。

2.2使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，改善設(shè)備運行狀況、降低機械磨損及維修、維護人員費用支用。

2.3水泵變頻使電機在起動、停止、運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電網(wǎng)電流，還可以最大限度地提高電動機功率因數(shù)和電機效率，減少無功損耗及補償容量，減少電機的噪聲、溫升、震動和從電網(wǎng)吸收電能。

2.4無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴重，由公式P=S×COSφ，可知COSφ越大有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6～0.7之間，使用變頻裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COSφ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

2.5圖1為水泵用閥門控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，必須關(guān)小閥門，這時閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R移到R′，揚程則從Ha上升到Hb，運行工況點從a點移到b點。

2.6圖2為調(diào)速控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果把速度從n降到n′，性能曲線由（Q-H）變?yōu)椋≦-H）′，運行工況點則從a點移到c點，揚程從Ha下降到Hc。

2.7根據(jù)離心泵的特性曲線公式兩者之差為：ΔN=Nb-Nc=R×Q2×（Hb-Hc）/102η，也就是說，用閥門控制流量時，有ΔN功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加，用轉(zhuǎn)速控制時，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果。

3.水泵的工作點（流量、揚程、功率損耗）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖表如下

（效率不變、轉(zhuǎn)速變化曲線）

4.電機效率隨轉(zhuǎn)速變化舉例

5.變頻效率隨轉(zhuǎn)速變化舉例

6.以5臺空調(diào)二次泵（4用1備，每臺水泵參數(shù)為1200T/H，48M）為例

7.采用變頻控制裝置運行費用

Total power consumption KWH6784.63

Totao power consumption per year KWH1221233

以上數(shù)據(jù)是按照一年運行6個月，每月30天，每天24小時

運行一年耗能：每年節(jié)省電：1941201-1221233=719968KWH節(jié)省百分比：719968/1941201=37%按每度電一元算，共節(jié)省719968元/年。

8.風機節(jié)能效果計算

8.1風機的調(diào)速節(jié)能效果計算比較簡單，由于風機系統(tǒng)一般不存在反壓，所以風機調(diào)速運行時消耗的電功率，可以直接用比例定律求得，注意使用工頻運行電功率應(yīng)為采用風門調(diào)節(jié)時風機實際消耗的電功率，而不是電動的額定電功率，而轉(zhuǎn)速也應(yīng)為中心調(diào)節(jié)頻率（轉(zhuǎn)速），而不是最低（頻率）轉(zhuǎn)速。

8.2根椐風門開度數(shù)據(jù)測算出準確的風量數(shù)據(jù)，才能準確算出節(jié)電率來，最準確的是根椐各種工況下的風量、風壓和電動機電流數(shù)據(jù)進行計算；其次是根椐風機的特性曲線以及風門開度和電流數(shù)據(jù)進行計算，風門開度決定節(jié)電率，而電動機電流的大小則決定節(jié)電量，風門開度的準確性是致關(guān)重要的，其次就是風量的計算龍為關(guān)鍵，它對計算結(jié)果的影響可謂：“失之毫厘，差以千里”！所以，風量的計算一定要慎之又慎！

8.3例某電站鍋爐為75t/h循環(huán)流化床鍋爐，其送風機（一次風機）為離心式風機，設(shè)計余量較大，在滿負荷時入口風門開度僅為70%（出口風門全開），每天運行時間為8h；80%負荷時風門開度為55%，每天運行進間為10h；60%負荷時風門開度為45%（低于44%開度時風壓報警），每天運行時間為6h，試計算變頻調(diào)速節(jié)能改造后的節(jié)能的效果。

注：風機采用變頻器調(diào)速時，風門全開，全速運行時輸出額定風壓22000pa，根椐比例定律，為保證最低風壓10000pa時的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的67.49%，為了留有風壓余量，最低轉(zhuǎn)速取額定轉(zhuǎn)速的70%（1036r/min），變頻器的最低輸出頻率為35HZ。

9.結(jié)論

理論計算結(jié)果和實際運行有一定差距，這是正常的，雖然變頻調(diào)速在節(jié)能效果明顯，但是宣傳應(yīng)實事求是，不能隨意夸大節(jié)能效果，以免誤導和欺騙用戶。

參考文獻：

[1] 符錫理.變頻調(diào)速泵供水原理及實踐，《變頻器世界》，1999，N010.

[2] 陳運珍.變頻器在水行業(yè)節(jié)能降耗中的巨大作用.變頻技術(shù)應(yīng)用，2006（1）

[3] 杜金城主編.電氣變頻調(diào)速設(shè)計技術(shù).北京：中國電力出版社，2001.

[4] 張燕賓.電動機變頻調(diào)速圖解.中國電力出版社，2003.