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淺析變頻器在風(fēng)機(jī)水泵設(shè)備上的應(yīng)用效果

　　摘要：本文簡述了變頻傳動調(diào)速及變頻控制的基本原理，并結(jié)合我廠應(yīng)用變頻器對風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行節(jié)能改造的工程案例，闡述了變頻技術(shù)在有效降低設(shè)備電能損耗、提供企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要意義。
　　關(guān)鍵詞:節(jié)能；變頻器 ；控制；電動機(jī)
　　變頻技術(shù)，就是通過技術(shù)手段，來改變用電設(shè)備的供電頻率，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。是異步電動機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)手段之一。
　　一、變頻傳動調(diào)速
　　變頻傳動調(diào)速，其應(yīng)用目的就是通過對電機(jī)調(diào)速來達(dá)到節(jié)約能源?？刂茖ο缶褪窃趧恿υO(shè)備上實(shí)現(xiàn)電―機(jī)轉(zhuǎn)換的電動機(jī)。這是由感應(yīng)式異步電動機(jī)的性能和特征決定，其次是由于所帶的負(fù)載對電機(jī)調(diào)速的負(fù)荷適應(yīng)性所決定。由電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式我們知道，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，主要取決于電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場（ n1=t*f/p）。對一個繞制好的電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速完全取決供電頻率，t 為時間常數(shù)，P為電機(jī)的極對數(shù)，n1正比電源頻率f，從電機(jī)的結(jié)構(gòu)上我們看到定、轉(zhuǎn)子之間沒有任何電的連接，基于磁場感應(yīng)和機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速總是不同步，差一個轉(zhuǎn)差數(shù)（一般為n1的1%―1.8%，）稱為轉(zhuǎn)差率S，由此可見電機(jī)的轉(zhuǎn)速也正比于電源的頻率。n2=t*f(1-s)/p從異步電動機(jī)變頻時機(jī)械特性曲線中，我們不難看出轉(zhuǎn)速的變化對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響較小，對于傳動機(jī)械功率要求完全可以滿足。變頻調(diào)速控制是在降低輸出頻率的同時輸出電壓也相應(yīng)降低，轉(zhuǎn)矩正比輸出電壓，轉(zhuǎn)矩也會有些減少。這種純電氣調(diào)速系統(tǒng)是人為地改變電動機(jī)的機(jī)械特性來獲得不同的轉(zhuǎn)速，直接與拖動機(jī)械相連接不需原機(jī)械設(shè)備做任何調(diào)整，這對于節(jié)能改造成本，保持原有機(jī)械性能都大有好處。變頻傳動調(diào)速的特點(diǎn)是：
　　1、不用改動原有設(shè)備包括電機(jī)本身；
　　2、可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，滿足傳動機(jī)械要求；
　　3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動電流沖擊對電網(wǎng)的不良影響，減少電源容量的同時還可以減少機(jī)械慣動量，減少機(jī)械損耗；
　　4、不受電源頻率的影響，可以開環(huán)、閉環(huán)手動/自動控制；
　　5、低速時，定轉(zhuǎn)矩輸出、低速過載能力較好；
　　6、電機(jī)的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增高功率增大而提高，使用效果較好。
　　二、風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能―變頻控制
　　機(jī)電設(shè)備配合設(shè)計原則：電機(jī)的最大功率必須滿足負(fù)載下的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩，對于不同的負(fù)載，最大值并非時時刻刻都發(fā)生、負(fù)載的變化是非線性的，而電機(jī)的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非最大負(fù)載時電機(jī)輸出了相當(dāng)一部分多余功率，電能也就白白浪費(fèi)掉了。風(fēng)機(jī)、水泵類就是較典型例子。
　　風(fēng)機(jī)、水泵類風(fēng)量和流量的控制在過去很少采用轉(zhuǎn)速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動機(jī)拖動，進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要改變風(fēng)量或流量時，事實(shí)上都采用調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或節(jié)流閥。這種控制雖然簡單易行，能滿足流量要求，但對電機(jī)來講，從節(jié)省能源的角度來看是非常不經(jīng)濟(jì)的，生產(chǎn)中很容易檢測出來。這類設(shè)備一般都是長時間運(yùn)行，甚至很久不停機(jī)。在實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)，除在極短時間流量最大值外，近90％時間運(yùn)行在中等或較低負(fù)荷狀態(tài)，總用電量至少有40％以上被浪費(fèi)掉。采用變頻調(diào)速控制，對風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)流量的方法，對節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要意義。
　　三、風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能方法
　　從流量控制原理上講，風(fēng)機(jī)、水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。
　　1、風(fēng)機(jī)節(jié)電：具體測試我廠鍋爐房引風(fēng)、鼓風(fēng)控制系統(tǒng)。我廠是化學(xué)合成制藥企業(yè)，生產(chǎn)上對蒸汽的需求量特別大，現(xiàn)有2臺45t/h鍋爐，為滿足鍋爐的最大引風(fēng)、鼓風(fēng)量，分別安裝了引風(fēng)機(jī)（Y4-73-14D）和鼓風(fēng)機(jī)（G4-73-14D）各2臺,其中引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為160KW,鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為90KW,生產(chǎn)時4臺電動機(jī)全功率運(yùn)轉(zhuǎn)。由于各車間對蒸汽的需求不均衡，蒸汽壓力波動比較大，它的壓力影響企業(yè)均衡生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量，要調(diào)節(jié)鍋爐的供汽量，就必須調(diào)節(jié)鍋爐引風(fēng)、鼓風(fēng)的供風(fēng)量，而風(fēng)量的調(diào)整只能調(diào)整風(fēng)擋板的開度來達(dá)到目的，風(fēng)擋板全開時引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的電流分別是180A、97A，全關(guān)閉時電流分別是165A、90A，輸入功率在145KW-160KW之間變化，節(jié)電率不足9%。針對這一特殊要求，制定方案，對其中兩臺引風(fēng)、鼓風(fēng)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)變頻調(diào)速控制，滿足鍋爐對引風(fēng)、鼓風(fēng)的技術(shù)要求，既滿足鍋爐蒸汽壓力流量的需要，又大大節(jié)約了電能，按照這一方案改造后，節(jié)電效果特別明顯，在正常蒸汽需求情況下，設(shè)定不同頻率運(yùn)行，測定參數(shù)如下：
　　 160KW引風(fēng)機(jī)
　　設(shè)定頻率（Hz） 運(yùn)行電流(A) 負(fù)載率 輸入功率(Pin[1]) 24小時耗電量
　　(kWh) 與工頻下輸入功率比較：節(jié)電率
　　25 75 0.25 15.4 369.6 (2112-369.6)/2112*100%=
　　82.5%
　　30 90 0.30 23.5 564 (2112-564)/2112*100%=
　　73%
　　35 80 0.37 45 1080 (2112-1080)/2112*100%=
　　48%
　　40 130 0.40 64 1536 (2112-1536)/2112*100%=
　　27%
　　45
　　 155 0.45 79 1800 (2112-1800)/2112*100%=
　　14%
　　50 180 0.55 88 2112 (2112-2112)/2112*100%=0
　　90KW鼓風(fēng)機(jī)
　　設(shè)定頻率（Hz） 運(yùn)行電流(A) 負(fù)載率 輸入功率(Pin[1]) 24小時耗電量
　　(KWh) 與工頻下輸入功率比較：
　　節(jié)電率
　　25 33 0.25 20.1 482.4 (1296-482.4)/1296*100%=63%
　　30 41 0.30 24.3 583.2 (1296-583.2)/1296*100%=55%
　　35 52 0.37 28 672 (1296-672)/1296*100%=
　　48%
　　40 58 0.40 32.4 777.6 (1296-777.6)/1296*100%=40%
　　45
　　 76 0.45 36.5 876 (1296-876)/1296*100%=
　　32%
　　50 97.2 0.55 54 1296 (1296-1296)/1296*100%=
　　0
　　需要指出的是：變頻器當(dāng)輸出頻率降低時，輸出電壓也相應(yīng)降低，輸入功率明顯減少，對應(yīng)頻率降低時電壓降低電機(jī)不會有溫升，若頻率不變時電壓降低至浮動電壓下限值時，電機(jī)就會有溫升。
　　2、水泵節(jié)電：同風(fēng)機(jī)原理很相近。以我廠VC公司冷水機(jī)組水系統(tǒng)90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例：主機(jī)制冷是根據(jù)溫度的變化而工作，是非線性負(fù)荷，而水泵電機(jī)基本上是線性恒功率輸出。1臺55KW冷卻水泵靠調(diào)整閥門來改變流量，雖然能滿足主機(jī)運(yùn)行要求，但對于電機(jī)來講節(jié)電意義不大，閥門的全開和全閉，電流107A―97A之間變化，平均節(jié)電不足7％。通過改造采用溫度控制為主，壓力控制為鋪進(jìn)行閉環(huán)變頻控制水泵電機(jī)，水泵電機(jī)平均節(jié)電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機(jī)靠調(diào)節(jié)閥門電流163―148A之間變化，平均節(jié)電不足6％，經(jīng)閉環(huán)控制變頻調(diào)速改造后，節(jié)電率平均也在30％以上。為什么會有這么大節(jié)電空間呢，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計時的最大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項(xiàng)極限指標(biāo)為依據(jù)計算的（即人流最大、氣溫最高、空間散熱最差），平時出現(xiàn)這種情況的概率極低，從經(jīng)驗(yàn)上講不到10%，空調(diào)系統(tǒng)大部分運(yùn)行時間都在中、低負(fù)荷狀態(tài)，空調(diào)主機(jī)的負(fù)荷曲線是非線性的，而水系統(tǒng)的水泵負(fù)荷是線性恒功率的，以滿足主機(jī)的最大負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)。這樣在主機(jī)非最大負(fù)荷時水泵就必然存在著電能浪費(fèi)空間。通過變頻調(diào)速控制使水泵電機(jī)的負(fù)載曲線符合或接近空調(diào)主機(jī)的負(fù)載曲線。
　　四、變頻控制技術(shù)的顯性和隱性效益及利弊分析
　　顯性效益就是節(jié)電效益。變頻控制傳動調(diào)速對于負(fù)載性質(zhì)和負(fù)載率的不同，節(jié)電率也是不同的，低壓變頻控制設(shè)備，一般負(fù)載率在0.5左右時，節(jié)電率在20―47％左右。低壓設(shè)備變頻調(diào)速改造投資少、見效快。
　　隱性效益主要體現(xiàn)：
　　1、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起、軟停，消除電機(jī)啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，減少了啟動電流的線路損耗；
　　2、消除了電機(jī)因起、停產(chǎn)生的慣動量對設(shè)備的機(jī)械沖擊，大大降低了機(jī)械磨損，減少設(shè)備的維修，延長了設(shè)備的使用壽命；
　　3、風(fēng)機(jī)、水泵的軟起動、軟停機(jī)克服了原來停機(jī)時發(fā)生的水錘現(xiàn)象。
　　除上述的有利一面，同時也存在一些問題。低壓變頻器輸出波型為脈沖形式，會產(chǎn)生一些干擾。
　　高壓變頻設(shè)備干擾性很小，控制技術(shù)較高，輸出電壓波形近似正弦波形，但設(shè)備體積較大，安裝調(diào)試都比較復(fù)雜。
　　
　　結(jié)論
　　在我廠生產(chǎn)中，陳舊、老化設(shè)備在生產(chǎn)中仍占較大的比重，能效比不高。水泵、風(fēng)機(jī)通過變頻技術(shù)改造后，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的軟起、軟停，有效保證了電動機(jī)的使用壽命，使電動機(jī)根據(jù)不同的工作狀態(tài)，運(yùn)行在不同的頻率和轉(zhuǎn)速下，有效降低了設(shè)備的電能損耗，對提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義，變頻調(diào)速技術(shù)將繼續(xù)推廣應(yīng)用。

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