风机变频调速节能改造的分析及计算

风机变频调速节能改造的分析及计算张恒谢国政张黎海（昆明电器科学研究所，云南昆明 650221）摘要：以变频调速改造来达到调节工业工程所需风量成为目前实现电机节能的一种主要途径。

当我们进行变频节能改造时，投入和收益是必须认真考虑的，收益就涉及到节能量的计算。

在变频器未投运之前，计算节能量是比较困难的。

本文通过分析变频节能的原理，介绍了针对阀门及液力耦合器调节流量系统的变频改造的节能估算的一些思考及方法。

关键词：风机变频节能原理调速节能阀门液力耦合器节能估算一、 引言在工业生产、发电、居民供暖（热电厂）和产品加工制造业中，风机水泵类设备应用范围广泛。

其电能消耗和诸如阀门、挡板、液力耦合器等相关设备的节流损失以及维护、维修费用约占到生产成本的7%~25%，是一笔不小的生产费用开支。

随着经济改革的不断深入，以及能源的危机，节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。

变频调速因其调速效率高，力能指标（功率因数）高，调速范围宽，调速精度高等优势，又可以实现软起动，减少电网的电流冲击及设备的机械冲击，延长设备使用寿命，对于大部分采用笼型异步电动机拖动的风机水泵，变频调速不失为目前最理想的调速节能方案。

由于电机的电流的大小随负载的轻重而改变,也即电机消耗的功率也是随负载的大小而改变，因此要想精确地计算系统的节能量是困难的，这在一定程度上影响了变频调速节能改造的实施。

二、 变频器节能的调速实质和原理节约能源最根本的方法就是要提高能源的利用率，所谓的“节能”，不仅仅是节省能耗，还包括不浪费能源，用一句最简单的话说就是：“需要多少，就提供多少!”变频器本身不是发电机。

在变频器应用到风机等平方转矩负载的工业场合中，其节能原因不是由变频器本身带来的，而是通过变频器的调速特性来减小风机输出流量以适应工况中实际所需流量。

叶片式风机水泵的负载特性属于平方转矩型，即负载的转矩与转速的二次方成正比。

风机水泵在满足三个相似条件：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（或水泵），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 (Q)与转速(n)的一次方成正比；扬程（压力）H 与转速的二次方成正比；轴功率 (P)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 = 当风机、水泵的转速变化时，其本身性能曲线的变化可由比例定律作出，如图1所示。

因管路阻力曲线不随转速变化而变化，故当流量由Q1变至Q2时，运行工况点将由A 点变至C 点。

图1风机流量、压力特性上图中，曲线①、③为风机水泵在不同阻力下的特性曲线。

曲线②、④为工频、变频状态下的流量与压力关系曲线。

风机水泵工作在A点时，轴功率P1等于Q1,H1的乘积，即与图中面积 AQ10H1A成正比。

若要将流量从Q1降到Q2时，如用阀门调节，则工作点由A移动到B点，流量下降，压力上升，轴功率減少不多；若采用变频调速，则工作点由A移动到C，在满足同样流量 Q2的情況下，压力也下降，轴功率大大降低。

故变频器节能的实质是调速引起的流量变化来产生的。

在工业设计过程中，一般要考虑建设前，后长期工艺要求的差异，使裕量过大。

如火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机、引风机的风量裕度分别为5%和5~10%，风压裕度为10%和10%~15%。

另外，设计过程中很难计算管网的阻力，并考虑长期运行过程中可能发生的各种问题（比如水泥生产过程工况中，由于物料、湿度等不同工况需求），通常总把系统的最大风量和风压裕量作为选型的依据，但风机的系列是有限的，往往选不到合适的风机型号就往上靠，大20%~30%的比较常见。

在实际工作时，再采用风门挡板来实现工况所需的流量，因而造成大量的节流损耗。

若风机能调速运行，则具有巨大的节能潜力。

上世纪七十年代，都采用机械调速或滑差电机调速，但调速效率低、能量损耗大，并且驱动功率受到限制；上世纪八十年代出现的液力耦合器调速装置，突破了驱动功率的限制，向大功率方向发展，但仍有较大的能量损耗。

直到上世纪九十年代，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，变频器很快占领电动机调速市场，在引风机、送风机、一次风机、循环水泵、凝结水泵、给水泵、灰渣（浆）泵、排粉机等设备的控制中得到广泛应用，取得了良好的节电效果。

三、 阀门调风的变频改造节能对比分析及估算（一）对比分析由图1可知，通过阀门调节也可减小风机的输入轴功率。

其减小的功率为长方形AQ1OH1A与长方形BQ2OH2B的差。

虽然也有节能效果，但其功率减少很小。

一般情况下，采用风门调节的风机，在两者偏离10%时，效率下降8%左右;偏离20%时，效率下降20%左右；而偏离30%时，效率则下降30%以上。

对于采用调节风门进行调节风量的风机，这是一个固有的不可避免的问题。

可见，风机、水泵电机的用电量中，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风门消耗掉的。

是一种低效节能调节方式。

如果采用变频器调风机转速来调节风量，风门开到100% ，风机转速n1调到n2，特性变为曲线(4)，工况点为C，在保证同样风量Q2的情况下，风压大幅度降低至H3。

功率P与长方形CQ2OH3C的面积成正比。

随着流量的减小，减少的功率损耗△P=△HQ与面积BH2H3CB成正比。

节电的经济效益十分明显。

（二）对阀门调风的变频改造的节能估算方法和思考如果用变频器对风机、泵类设备进行调速控制，不再需要用阀门、挡板进行节流调节，将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少。

节能量可用GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，即：（1）其中：P为变频器改造后风机所需输入功率，单位为kW；L为达到风机额定流量时所需输入功率，单位为kW；PEQ 为实际所需流量，单位为m 3/h ；Q N 为风机额定流量，单位为m 3/h； 然而，在实际工业现场中，由于流量计的价格昂贵以及工况环境的恶劣原因，很多都没有在风机管路中配置流量计，即使有配置的场合也常常处于损坏状态。

不能方便的得到准确具体的流量数据。

因此，我们在实际的变频改造中常采用三种方法来求出流量比。

设流量比为K，则有：Q Q NK = (2) 方法1：由流体力学可知，流量等于风速（S）乘以管道的截面积。

对于同一个风系统的同一个测点，其管道截面积无疑是相同的。

则有：n S N S K Q Q == （3）故我们采用便携式风速仪在管道中可测出管道风速比，从而得知流量比。

方法2：由风机的相似定律可知：流量 (Q)与转速 (n)的一次方成正比；扬程H（压力P）与转速的二次方成正比。

则有：P P n Q Q es N e n K === (4) 故我们可通过实际压力与额定压力比求出流量比。

方法3：根据调节阀的流量特性来估算流量比。

调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。

调节阀的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。

理想流量特性是指在调节阀进出口压差固定不变情况下的流量特性，有直线、等百分比、抛物线及快开4种特性。

这种方法需要用户提供实际使用阀门的阀门特性图。

求出变频改造后的实际功率后，则可根据式（5）算出变频改造后的节电率λ。

()P k P P L E L /9.03−=λ （5）其中：0.9为保险系数四、 液力耦合器的变频改造节能对比分析和计算（一）液力耦合器的节能效果分析液力耦合器是一种以液体（多数为油）为工作介质、利用液体动能传递能量的一种叶片式传动机械。

调速型液力耦合器主要由泵轮、涡轮、旋转外套和勺管组成。

只要改变工作腔内工作油的充满度，亦即改变循环圆内的循环油量，就可以改变液力耦合器所传递的转矩和输出轴的转速，从而实现了电动机在定速旋转的情况下对风机或水泵的无级变速。

在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液力耦合器的调速效率等于调速比。

当液力耦合器工作时的转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。

因此，液力耦合器虽然也能达到调速节能的目的，但仍属低效调速装置。

（二）对液力耦合器调风的变频改造的节能对比分析电动机本身功率损耗除外，无论是变频调速还是液力耦合器调速，均存在额外的功率损耗，液力耦合器从电动机输出轴取得机械能，通过液力变速后送入负载，其效率不可能为1；变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机电枢，其效率也不可能是1。

而且在全转速范围内，两种方式的效率曲线也不一样。

图2为典型的液力耦合器和变频器的效率－转速曲线，随着输出转速的降低，液力耦合器的效率基本上正比降低（例如：额定转速时效率0.97，75%转速时效率约0.7，20%转速时效率约0.18）。

变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率，除本身控制所需很少一部分能量消耗保持不变外，电力电子器件的损耗基本上与输出功率成正比，因此变频调速可以在全转速范围内保持较高效率运行。

从图2曲线数据看，当输出转速降低时，液力耦合器的效率比变频调速的效率下降快得多，因此变频调速的低速特性比液力耦合器要好。

图2 变频与液力耦合器效率曲线（三）对液力耦合器调风的变频改造的节能估算由上面的分析可知：液力耦合器与变频器的节能差异在于其效率的不同。

由于液力耦合器的调速效率等于调速比，而变频器的效率在94％～97％，所以用变频器代替液力耦合器的节电率的计算就变得十分简单了： 节电率 = 1－变频器损耗－调速比＋液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传动功率的3％～4％（取3.6%）/调速比。

也就是“节电率 = 变频器效率－调速比 + 3.6% /调速比”。

一般可以认为变频器的损耗和液力耦合器的机械损失和容积损失相当，则节电率的计算可以简化为：节电率 = 100％－调速比如果要保留液力耦合器的话，节电率 = 变频器效率－调速比－液力耦合器的机械损失和容积损失等于额定传送功率的3％～4％（取3.6%）/调速比－液力耦合器因为丢转而损失的效率约3％～4％/调速比。

为了与上式有可比性，均按实际传送功率的4～5％计算的话，则节电率的计算也可以简化为： 节电率 = 100％－调速比－（12～15％）五、 结论对于离心式风机等平方转矩负载来说，由于工艺的要求，在设计时常有大马拉小车的现象出现，实际生产过程中需要调节风量。

在常见的三种调流方式中，阀门调节和液力耦合器调节虽然能够节能，但均属于低效调节方式。

变频属高效调节方式，适于对前两种方式进行变频改造。

在改造前的节能计算中，可依据风机的相似定律为基础来估算。