变频技术在风机＼水泵节能改造中的应用

变频技术在风机＼水泵节能改造中的应用
随着变频技术的不断完善、发展,变频调速性能日趋完美。

变频技术已被广泛应用于不同领域的交流调速。

本文通过分析变频器在风机控制系统中的应用,变频节能原理和分析变频技术改造的优点等方面,探讨了变频技术在风机、水泵节能改造中的应用。

标签：风机水泵变频技术
0 引言
在我国各行业的机械设备中与风机、水泵配套的电机约占全国电机装机量的60%,耗用电能约占全国发电总量的三分之一,大多数风机、水泵在使用过程中都存在大马拉小车的现象。

目前,许多单位仍然采用调节档风板或阀门开启度的方式来调节气体或液体的流量、压力等,这实际上是通过人为增加阻力的方式,并以浪费电能和金钱为代价来满足生产工艺的要求。

这种调节方式,不仅浪费了宝贵的能源,而且调节精度差,很难满足现代化工业生产的要求。

随着变频技术的不断完善、发展,变频调速性能日趋完美,变频技术已被广泛应用于不同领域的交流调速。

1 变频技术
变频技术是一种电子技术。

变频器是在变频技术上产生的,它能够应用在大部分的电机拖动场合,由于它能提供精确的速度控制,因此可以方便地控制机械传动的升、降和变速运行。

变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中。

由于采用了通讯方式,可以通过PC机来方便地进行组态和系统维护,包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。

简单来讲变频器是由三绕组输人变压器、整流电路、合成母线、逆变电路、合成滤波电路、控制柜等组成。

2 变频器在风机控制系统中的应用
如图1为变频器控制风机电动机系统框图。

风压设定通过变频器的输人端子设定;压力传感器将压力信号传送给变频器;变频器通过预编程序进行运算,对应不同压力输出控制信号,从而控制电动机使风机改变转速来调节风压,风压通过风压传感器将信号传送给变频器,实现自动控制。

在变频状态下,应用变频器改变风机电机输入电压的频率,从而控制电机的转速。

电机的转速可以用下面公式表示:
n为转速、f为频率、p为电机级数(2、4、6...)
风机的变速运动是利用改变风机转速来改变风机曲线这种变化关系可以用一组公式来表达:
Q2 /Q1=n2 /n1(1)
P2 /P1=(n2 /n1)2 (2)
N2/N1=(n2 /n1)3 (3)
式中,n-风机转速;Q-风量;P-风压;N-功率。

值得注意的是:将风量公式(1)与(2)相结合,其结果恰好符合系统曲线公式:
P=KQ2(4)
因为:P2=P1(n2 /n1)2
Q2 /Q1=n2 /n1(Q2 /Q1)2=(n2 /n1)2(5)
将(5)式代入(2)式,可得P2=P1(Q2 /Q1)2
即:P2=(P1/Q12)Q22(6)
一般使用的风机,其选用风量、风压通常都超过实际需要。

(风量裕量5%-15%,压力裕量为10%-30%),传统控制裕量方法大多采用挡板式阀门来调节,用这些方法节流。

虽然方法简单,但实际上是通过人为增加阻力的办法来达到调节的目的。

不仅造成了浪费,还增加了噪音污染。

3 变频节能原理
3.1 风机运行曲线
采用变频器对风机进行控制,属于减少空气动力的节电方法,它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较,具有明显的节电效果。

由图可以说明其节电原理:
图中,曲线(1)为风机在恒定转速n1下的风压一风量(H-Q)特性,曲线(2)为管网风阻特性(风门全开)。

曲线(4)为变频运行特性(风门全开)
假设风机工作在A点效率最高,此时风压为H2,风量为Q1,轴功率N1与Q1、H2的乘积成正比,在图中可用面积AH2OQ1表示。

如果生产工艺要求,风量需要从Q1减至Q2,这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力,使管网阻力特性变到曲线(3),系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。

从图中看出,风压反而增
加,轴功率与面积BH1OQ2成正比。

显然,轴功率下降不大。

如果采用变频器调速控制方式,风机转速由n1降到n2,根据风机参数的比例定律,画出在转速n2风量(Q-H)特性,如曲线(4)所示。

可见在满足同样风量Q2的情况下,风压H3大幅度降低,功率N3随着显著减少,用面积CH3OQ2表示。

节省的功率△N=(H1-H3)×Q2,用面积BH1H3C表示。

显然,节能的经济效果是十分明显的。

由流体力学可知,风量与转速的一次方成正比,风压H与转速的平方成正比,轴功率N与转速的三次方成正比。

采用变频器进行调速,当风量下降到80%时,转速也下降到80%,而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果风量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。

3.2 同理,水泵的节能原理由下图说明:
节能效果明显,与水泵连续运行相比较,节省水泵系统调节阀的节流损失。

当水泵流量为Qc时,若水泵在连续运行,则工作点再B点,是靠调节阀关小而实现的,因而有节流损失。

采用变频调速定压,在满足水泵流量Qc的前提下,由于水泵转速有n1下降为n2,则工作电位C点,因而水泵节约电耗可由面积H2BCH1表示。

如图一所示。

与水泵间歇运行相比较,如图二所示。

间歇运行水泵在定转速n2下运行,将水压P1打到P2。

P1是下限,保证下限压力就可以保证正常供水,很明显P2-P1=△P 的压力是电动机作了无用功,存在着浪费。

而变频调速运行的水泵电动机是以保证下限压力P1为目的,转数在n1左右即n(1-1)～n(1+1)之间变化。

变频调速定压与间歇运行控制压力相比,变频调速定压节电为△P·Q1。

3.3 风机、水泵在不同频率下的节能率风机是传送气体的机械设备,水泵是传送液体的机械设备,二者都是将电动机的轴功率转变为流体的机械能的一种机械,二者的工作原理基本相同。

从流体力学原理得知,风机风量及水泵水流量与电机转速功率相关:风机水泵的风量(流量)与风机水泵(电机)的转速成正比,风机的风压、水泵的扬程与风机水泵(电机)的转速的平方成正比,风机水泵的轴功率等于风量与风压、流量与扬程的乘积,故风机水泵的轴功率与风机水泵(电机)的转速的二次方成正比(即风机水泵的轴功率与供电频率的二次方成正比):
根据上述原理可知改变风机、水泵的转速就可改变风机水泵的功率。

例如:将供电频率由50Hz降为45Hz,则P45/P50=453/503=0.729,即P45=0.729P50
将供电频率由50 Hz降为40Hz,则P40/P50=403/503=0.512,即P40=0.512P50
4 变频技术改造的优点
4.1 控制电机的启动电流。

电机工频直接启动时,启动电流是电机额定电流的4-7倍。

这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量,从而降低电机的寿命。

而变频调速则可以在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)。

一旦频率和电压的关系建立,变频器就可以按照WF或矢量控制方式带动负载进行工作。

使用变频调速能充分降低电机的启动电流,提高绕组承受力,降低电机的维护成本,电机的寿命则相应增加。

4.2 降低电力线路电压波动。

在电机工频启动时,电流剧增的同时,电压也会大幅度波动,电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。

电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常,如咒机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。

而采用变频调速后,由于能在零频零压时逐步启动,则能最大程度上消除电压下降。

4.3 低速运行可以減少磨损,降低噪音,有利于延长电机和风机的使用寿命。

4.4 节能效果显著。

由于最终的能耗是与电机的转速成立方比,所以采用变频后,大大地节约了成本。

5 结束语
变频调速用于交流异步电机调速,其性能远远超过以往任何交、直流调速方式。

而且结构简单,调速范围宽、调速精度高、安装调试使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著,已经成为交流电机调速的最新潮流。

参考文献:
[1]韩安荣.通用变频器及其应用.北京:机械工业出版社,2000.
[2]三菱变频调速器FR-F500使用手册.
[3]吴忠智,吴加林.变频器应用手册[Z].北京:机械工业出版社,1995.
[4]张宗桐.变频器及其装置的EMC要求[J].变频器世界,2000,(9).。