高压电动机节能方案

变频调速技术改造可行性方案
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二○一五年一月
第一部分节能计算性分析
声明：
A、节能计算是一个很复杂的过程，需要大量各个工作点的数据。

如各个负荷下的运行小时数、电流，检测工作点的流量、压力（扬程）及风机的额定压力、轴功率、效率等。

B、在本次以贵公司提供数据采集，同时，采集的数据是某一时间段的数据，并不能代替全年的平均状况，运行工况的波动也会使计算出现误差。

C、本次节能计算是以贵公司提供的数据为基础，节能计算方法采用中国电力出版社出版的徐甫荣的《高压变频调速技术工程实践》一书中的计算方法。

1．概述
风机在实际应用中数量众多，分布面极广，耗电量巨大。

据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约40000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40％左右。

目前，靠节流调节变负荷运行的定速风机还有很大的节电潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机的运行效率。

一般来讲，风机基本上都采用定速驱动。

这种定速驱动的风机，如果需要调节服务点的压力或流量，只好采用节流阀或风门调节流量，这样就存在严重的节流损耗。

尤其在变负荷运行时，由于风机的运行偏离高效点，使运行效率降低。

调查表明：我国风机运行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占1/5左右，有的甚至不到30％，结果是白白地浪费掉大量的电能，已经到了非改不可的地步。

风机是工业过程工艺系统中的重要辅助设备，但实际运行效率并不高，其主要原因是风机的调整性能差，设计选型误差和变负荷工艺要求使运行点远离风机的最高效率点。

如由于在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，我国现行的某些设计规程规定风机风量裕度为5％～10％，风压裕度为10％～15％。

设计人员考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。

但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。

这样，风机的风量和风压富裕度达20％～30％是比较常见的。

很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节机构消耗掉的。

因此，改进风机的调节方式是提
高风机效率，降低风机耗电量的最有效途径。

2．风机拖动系统的运行特点
风机系统传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力，是一种经济效益差、能耗大、设备损坏严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。

主要存在以下问题：
（1）采用挡板阀门调节时，大量的能量损耗在挡板阀门的截流过程中。

对风机而言，最有效的节能措施是采用调速来调节流量。

由于风机大都为平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，所以当风机转速下降时，消耗的功率大大下降。

图2-10表示了风机采用各种调节方法时消耗功率与风量关系曲线。

其中曲线1为输出端风门控制时电机消耗的功率；曲线2为输入端风门控制时电机消耗的功率线；曲线3为转差调速控制(采用滑差电机，液力耦合器)时电动机消耗的功率;曲线4为变频调速控制时电动机消耗的功率;最下面一条曲线为调速控制时风机实际所需轴功率（即电机轴输出功率）。

可见，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。

（2）介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备损坏严重。

（3）挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。

挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想。

（4）异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6～8倍，对电网冲击较大，也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。

总之，风机采用变频调速改造后，不仅节约了大量电能，由于对电机实现真正的软启动，对电机、风机、风门、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。

另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅可以全面满足流量的动态调节需要，而且变频器属于高度智能化的新型设备，完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平的要求。

叶片式风机的负载特性属于平方转矩型，即其轴上需要提供的转矩与转速的二次方成正比。

风机水泵在满足流体力学的三个相似条件：几何相似、运动相似
和动力相似的情况下遵循相似定律；对于同一台风机，当输送的流体密度ρ不变仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：流量与转速的一次方成正比；扬程（压力）与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。

即：
''n n Q Q = ; 2'')(n n H H = 2'')(n n p p = ; 3'
')(n
n P P = 风机转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图2-1所示。

因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当转速由n 变至n / 时，运行工况点将由M 点变至M /点。

q v
P
O
P-q v
P-q'v
n
n'
n>n'
M
M'
H 扬程
H ST
O
M M'
n n'
n>n'
q v
(a) (b) 图2-1 转速变化时风机装置运行工况点的变化
（a ）风机（当管路静压Pst=0时） ，
应该注意的是：风机比例定律三大关系式的使用是有条件的，在实际使用中，风机由于受系统参数和运行工况的限制，并不能简单地套用比例定律来计算调速范围和估算节能效果。

当管路阻力曲线的静压等于零时，即P ST =0时，管路阻力曲线是一条通过坐标原点的二次抛物线，它与过M 点的变转速时的相拟抛物线重合，因此，M 与M ＇又都是相似工况点，故可用比例定律直接由M 点的参数求出M ＇点的参数。

对于风机，其管路静压一般为零，故可用相似定律直接求出变速后的参数。

3．风机变频调速节能效果的计算方法
3.1 风门开度与风量的关系
风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系是非线性的，不同类型的风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系也是不一样的。

离心式风机在不同
风门开度时的特性曲线之间的间隔是不均匀的，也就是说其线性度很差；而轴流式风机在不同叶片角度时的特性曲线之间的间隔是比较均匀的，也就是说其线性度较好；不同类型的风机在相同的风门开度（叶片角度）（％）时的风量（％）也是不一样的。

见图2-2所示。

就拿离心式风机来说，可以在图2-3上画一条阻力曲线，与不同风门开度的特性曲线的交点即为不同风门开度时的工作点，由各个工作点读出的风门开度、风量及风压的关系数据列于表2-1，不同风门开度与风量之间的关系则画于图2-2。

用同样的方法可以作出静叶可调和动叶可调的轴流式风机不同叶片角度与风量之间的关系，曲线画于图2-2。

由图2-2可以看出，离心式风机的风门开度—风量曲线的线性度最差：小风门时，随着风门的开大，风量增大很快；当风门开度大到50％以上时，风量增大的速度明显放慢，当风门开度大到75％以上时，风量增大已不太明显了。

而静叶可调轴流风机的叶片角度—风量曲线就要显得平坦一些了，动叶可调轴流风机的叶片角度—风量曲线就接近线性了。

并且可以看出，在相同的风门开度（叶片角度）％时，离心式风机的风量最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的风量最小。

因此，在相同的风门开度（叶片角度）％时，离心式风机的节电率最小，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的节电率最大。

而在相同的风量时，由于三种风机的轴功率不同：离心式风机的轴功率最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的轴功率最小；所以离心式风机的节电率最大，其次是静叶可调轴流风机，而动叶可调轴流风机的节电率最小。

表2-1. 离心式风机风门开度与风量、风压和节电率的关系：
风门开度（o）风门开度
风量（％）风压（％）节电率（％）（％）
10 o 11.1 ％ 25.0 ％ 10.0 ％ 90 ％
15 o 16.7 ％ 35.0 ％ 15.0 ％ 80 ％
20 o 22.2 ％ 45.0 ％ 22.0 ％ 70 ％
25 o 27.7 ％ 55.0 ％ 32.0 ％ 60 ％
30 o 33.3 ％ 61.7 ％ 42.0 ％ 50 ％
35 o 38.9 ％ 68.3 ％ 50.0 ％ 40 ％
40 o 44.4 ％ 76.7 ％ 60.0 ％ 30 ％
45 o 50.0 ％ 81.7 ％ 68.0 ％ 20 ％
50 o 55.6 ％ 83.3 ％ 75.0 ％ 16 ％
55 o 61.1 ％ 85.5 ％ 80.0 ％ 13 ％
60 o 66.7 ％ 88.3 ％ 84.0 ％ 10 ％
65 o 72.2 ％ 90.8 ％ 87.3 ％ 7 ％
70 o 77.8 ％ 93.1 ％ 90.4 ％ 5 ％
75 o 83.3 ％ 95.1 ％ 93.3 ％ 3 ％
80 o 88.9 ％ 96.7 ％ 95.8 ％ 2 ％
85 o 94.4 ％ 98.8 ％ 98.0 ％ 0 ％
90 o 100.0 ％ 100.0 ％ 100.0 ％－4 ％
图2-2不同类型的风机的风门开度（叶片角度）与风量之间的关系
由于大多数风机为离心式风机，所以我们把离心式风机作为重点来讨论。

在知道了不同工况的风门开度时，就可以用查表的方法求出风量和风压值，并以此作为节能计算的依据。

因为查表的方法比较麻烦，所以也常常用函数逼近的方法来计算，但同时也带来了误差。

常用的函数逼近方法有开平方法、三角函数法等。

开平方法是将风门开度和风量数据都标么化为0～1（0～100％），再将风门开度数据开平方，即可得到风量数据的标么值（0～100％）；三角函数法则先将风门开度数据标么化为a = 00～900，风量数据标么化为0～1（0～100％），再用三角
函数Q = sin a 求出对应的风量标么值。

离心式风机采用不同的曲线拟合方法时风门开度与风量的关系数据见表2-2，查表法和函数逼近法算出的风门开度/风量的关系均画于图2-3。

由图2-3可见，开平方法在小风门段的风量要大于查表法，而在大风门段又小于查表法；三角函数法的全程风量都要低于查表法，并且三角函数法的误差要大于开平方法。

其实即使是用查表法得出的数据也是有误差的，因为用的是典型的离心式风机的特性曲线，与实际风机的特性曲线还是有差别的，最好使用实际风机的特性曲线，与实际的阻力曲线的交点为工作点得出的数据才是最准确的数据，但是实际的阻力曲线是很难绘出的。

风机的特性曲线就好像是人的身份证，其中包含了风机的所有的信息！但是现场很难找到风机的特性曲线，就只能向风机的制造厂家索取了，实在找不到时就只能用典型的离心式风机的特性曲线作为计算的依据了。

表2-2. 离心式风机采用不同的曲线拟合方法时风门开度与风量的关系：
风门开度（o）风门开度（％）风量（查表）风量（开方）风量（sin a）
0 o 0.0 ％ 3.6 ％0.0 ％0.0 ％
5 o 5.5 ％ 14.5 ％ 23.
6 ％8.
7 ％
10 o 11.1 ％ 25.0 ％ 33.3 ％ 17.4 ％
15 o 16.7 ％ 35.0 ％ 40.8 ％ 25.9 ％
20 o 22.2 ％ 45.0 ％ 47.1 ％ 34.2 ％
25 o 27.7 ％ 55.0 ％ 52.6 ％ 42.3 ％
30 o 33.3 ％ 61.7 ％ 57.7 ％ 50.0 ％
35 o 38.9 ％ 68.3 ％ 62.4 ％ 57.4 ％
40 o 44.4 ％ 76.7 ％ 66.6 ％ 64.3 ％
45 o 50.0 ％ 81.7 ％ 70.7 ％ 70.7 ％
50 o 55.6 ％ 83.3 ％ 74.6 ％ 76.6 ％
55 o 61.1 ％ 85.5 ％ 78.2 ％ 81.9 ％
60 o 66.7 ％ 88.3 ％ 81.6 ％ 86.6 ％
65 o 72.2 ％ 90.8 ％ 85.0 ％ 90.6 ％
70 o 77.8 ％ 93.1 ％ 88.2 ％ 94.0 ％
75 o 83.3 ％ 95.1 ％ 91.3 ％ 96.6 ％
80 o 88.9 ％ 96.7 ％ 94.2 ％ 98.5 ％
85 o 94.4 ％ 98.8 ％ 97.2 ％ 99.6 ％
90 o 100.0 ％ 100.0 ％ 100.0 ％100.0 ％
图2-3 离心式风机使用不同的逼近方法时的风门开度与风量的关系曲线3.2 不同风量和不同控制方式时的轴功率：
由于现场数据调查表中提供的风机轴功率一般不是风机的额定轴功率，而是电动机的额定输出功率；而用风机的额定风量、风压和效率来计算风机的额定轴功率，又因为没有风机效率数据以及给出的风量和风压数据明显有误，所以也不是风机真正的额定轴功率；即使有风机的额定轴功率数据，由于锅炉（窑炉）的阻力曲线也不能精确计算，所以当风门全开时的风机轴功率与其额定轴功率也会有出入：如风道的阻力过大，则因为风压增大，会使风机的轴功率超过其额定轴功率；反之如风道的阻力过小，则因为风压减小，而会使风机的轴功率低于其额定轴功率等等！因为工程中不乏这样的案例：有的风机在风门全开运行时，其电动机的电流还远远小于额定电流；而有的风机在风门开度尚不到50％时，其电
动机已因过载而跳闸了。

那么到底应当如何计算当风门全开时的风机轴功率呢？这个数据对于节能计算来说又是至关重要的！很多的节能计算出现较大误差的原因主要就是不能精确的计算出当风门全开时的风机轴功率。

工程上有一种计算方法算出的风门全开时的风机轴功率较为准确，即根据某一风门开度时的电动机运行功率来反推风门全开时的风机运行功率（包括电动机的损耗）。

其根据见图2-4（左），并有根据图2-4（左）上查出的表2-3。

图2-4 离心式风机在不同调节方式时的轴功率和效率曲线
表2-3．离心式风机系统在不同风量（风门开度）和不同控制方式时的轴功率：风门开度（％）风量（％Qe）入口门控制（％Pe）出口门控制（％Pe）
10 23 52 ％ 60 ％
15 33 54 ％ 67 ％
20 42 56 ％ 74 ％
25 51 58 ％ 81 ％
30 58 60 ％ 85 ％
35 65 63 ％ 89 ％
40 71 65 ％ 91 ％
45 77 68 ％ 93 ％
50 82 71 ％ 94 ％
55 83 73 ％ 95 ％
60 85 75 ％ 96 ％
65 87 78 ％ 97 ％
70 89 80 ％ 97.5％
75 91 83 ％ 98 ％
80 93 86 ％ 98.5％
85 95 90 ％ 99 ％
90 97 95 ％ 99.5％
95 99 98 ％ 99.8％
100 100 100 ％ 100 ％
3.3 调速范围的确定
当风机采用转速调节时，其风量和风压可用比例定律计算，在确定调速范围时应兼顾风量和风压的要求，一般这时将风门开到最大，仅用转速来调节风量，并留有一定的风压裕量。

所以一定要知道生产工艺所要求的最小风压，作为确定最低转速的根据。

当然，当最小风压要求低于最小风量要求时，可以风量要求为准。

注意：这只是最低转速，不能作为节能计算的转速依据；节能计算时应以中心调节频率为准，中心调节频率则为最低频率和额定频率（50Hz）的中心值。

如最低调速频率为30Hz，则中心调节频率为40Hz，为额定转速的80％。

4.节能分析计算
4.1 风机节能计算
数据如下：
设备基本参数
电动机参数风机参数
电动机型号/ YKK450-6 风机型号LYX75-1AN021D
额定功率（kW）450 风机类型
额定电压（kV） 6 额定流量 (m3/s) 193639
额定电流（A）55.1 额定全压 (kPa) 5200
额定转速(r/min) 980 额定转速 (r/min) 9600
功率因数0.83 额定效率
额定效率94.1 额定轴功率（kW）450
转子开路电压进口压力 (kPa)
转子短路电流出口压力 (kPa)
电机动类别：□√鼠笼式
起动方式：□√直接起动
设备运行参数
电动机参数风机参数运行电压 (kV) 6.4 进口风门开度(%) 54
运行电流 (A) 37.38 出口风门开度(%)
有功功率（kW.h）278.63 出口风量(m3/s)
无功功率 (kVar) 305.18 出口风压（kPa）
实际转速 (rpm) 回流流量 (m3/s)
功率因数0.68 风机转速（rpm）
工艺流程参数
工艺数据锅炉负荷（t/h）61.2 投料量（t/h）发电量（MW）日产量（t/h）
实际工况、工艺
流程描述三台炉并列运行，2台12MW供热机共代22MW负荷，
电动机的其它
有关描述
对变频系统的
要求及欲实现
的功能与效果
根据目前挡板开度为54%，查表2-3风量为82%最大风量
1.工频运行电功率为：Pg = 1.732×6.4×37×0.68 = 279kW；
2.查表2-3得功率系数为71%；
3.变频运行功率为：Pb = (279kW/0.71)×0.823/0.96 =226 kW；
4.节省的电功率为：279kW-226kW = 53 kW；
5.节电率为： 53kW÷279kW×100% = 19%；
4.2 风机节能计算
数据如下：
设备基本参数
电动机参数风机参数
电动机型号/ YKK4005-4 风机型号QAG-1A-17D
额定功率（kW）400 风机类型
额定电压（kV） 6 额定流量 (m3/s) 56886
额定电流（A）47.8 额定全压 (kPa) 18191
额定转速(r/min) 1485 额定转速
(r/min)
1450
功率因数0.86 额定效率
额定效率额定轴功率（kW）400
转子开路电压进口压力 (kPa)
转子短路电流出口压力 (kPa)
电机动类别：□√鼠笼式
起动方式：□√直接起动
设备运行参数
电动机参数风机参数运行电压 (kV) 6.4 进口风门开度(%) 37
运行电流 (A) 28.56 出口风门开度(%)
有功功率（kW.h）242.73 出口风量(m3/s) 45000 无功功率 (kVar) 200.05 出口风压（kPa）8
实际转速 (rpm) 回流流量 (m3/s)
功率因数0.77 风机转速（rpm）
工艺流程参数
工艺数据锅炉负荷（t/h）61.2 投料量（t/h）发电量（MW）日产量（t/h）
实际工况、工艺
流程描述
三台炉并列运行，2台12MW供热机组工代22MW负荷。

电动机的其它
有关描述
对变频系统的
要求及欲实现
的功能与效果
根据目前挡板开度为37%，查表2-3风量为71%最大风量
1.工频运行电功率为：Pg = 1.732×6.4×28.6×0.77= 244kW；
2.查表2-3得功率系数为65%；
3.变频运行功率为：Pb = (244kW/0.65)×0.713/0.96 =140 kW；
4.节省的电功率为：244kW-140kW = 104 kW；
5.节电率为： 104kW÷244kW×100% = 43%；
4.3 风机节能计算
数据如下：
设备基本参数
电动机参数风机参数
电动机型号/ YKK3554-4 风机型号QAG-2-13D
额定功率（kW）250 风机类型
额定电压（kV） 6 额定流量 (m3/s) 56886
额定电流（A）30.4 额定全压 (kPa) 9006
额定转速(r/min) 1485 额定转速
(r/min)
1450
功率因数0.85 额定效率
额定效率额定轴功率（kW）250
转子开路电压进口压力 (kPa)
转子短路电流出口压力 (kPa)
电机动类别：□√鼠笼式
起动方式：□√直接起动
设备运行参数
电动机参数风机参数运行电压 (kV) 6.4 进口风门开度(%) 33
运行电流 (A) 13.08 出口风门开度(%)
有功功率（kW.h）70.14 出口风量(m3/s) 9600 无功功率 (kVar) 126.04 出口风压（kPa） 2
实际转速 (rpm) 回流流量 (m3/s)
功率因数0.49 风机转速（rpm）
工艺流程参数
工艺数据锅炉负荷（t/h）61.2 投料量（t/h）发电量（MW）日产量（t/h）
实际工况、工艺
流程描述
三台炉并列运行，2台12MW供热机组工代22MW负荷。

电动机的其它
有关描述
对变频系统的
要求及欲实现
的功能与效果
根据目前挡板开度为54%，查表2-3风量为82%最大风量
1.工频运行电功率为：Pg = 1.732×6.4×37×0.68 = 279kW；
2.查表2-3得功率系数为71%；
3.变频运行功率为：Pb = (279kW/0.71)×0.823/0.96 =226 kW；
4.节省的电功率为：279kW-226kW = 53 kW；
5.节电率为： 53kW÷279kW×100% = 19%；
5、应用高压变频调速系统产生的其他效果
5.1 提高网侧功率因数
原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.8－0.9，实际运行功率因数远低于额定值。

采用高压变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.95以上，大大的减少无功功率的吸收，进一步节约上游设备的运行费用。

5.2 降低设备运行与维护费用
采用变频调节后，通过调节电机转速实现节能；转速降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期、设备运行寿命延长；变频改造后挡板开度可达100％，运行中不承受压力，可显著减少挡板的维护量。

在使用变频器过程中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。

从实际改造情况看，采用变频调速后，运行与维护费用大大降低。

5.3 减少了对电网的冲击
采用高压变频改造后，电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。

在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常，无任何附加的异常振动和噪音。

5.4 增强电机的保护功能
与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。

5.5 实现高度自动化
由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

5.6 增强系统运行的可靠性
国电四维高压变频调速系统适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-35%～+15%之间波动时，系统均可正常运行。