淺談變頻調速技術在泵與風機應用的節能效果

蘇翠云　蘇兩河

【摘 要】文章簡述了變頻調速技術工作原理，詳細介紹了變頻調速技術的節能原理，并通過變頻技術在供水泵的具體應用，說明了變頻技術具有較好節能的效果。

【關鍵詞】變頻；水泵；電動機；調速節能

能源是全人類賴以生存的基本條件，我國是能源消費大國，能源供需缺口較大，要保證國民經濟長期、持續、穩定發展，必須堅持“開發與節約并重，節約放在優先”的方針，大力發展節能技術。隨著現代電力電子技術和控制技術的發展，出現了對交流電動機來說最好的調速方法，就是變頻調速。變頻調速技術，具有調速范圍廣、動態響應快、運行效率高、功率因數高等優點，充分提高了設備的利用率，有著顯著的節能效果。在我國多種行業的電動機傳動設備中得到實際應用。

1.變頻調速技術

什么叫變頻調速技術，根據異步電動機轉速公式n =60f（1-s）/p，從式中可知，當轉差率s變化不大時，異步電動機的轉速n基本與電源頻率f成正比。變頻調速技術就是連續調節電源頻率，以達到平滑改變電動機運行轉速的技術。要實現異步電動機的變頻調速，必須有能夠同時改變電壓大小和頻率的供電電源。這種裝置一般簡稱為變頻器，變頻器主要有交—直—交和交—交兩類。目前用的比較多的是交—直—交。它是先將工頻電源通過整流器變成直流，而后再經逆變器將直流變為可控頻率的交流。交—直—交變頻器主要由整流器（電網側把交流電變為固定或可調的直流電）、濾波回路（中間直流環節）、逆變器（負載側把直流電變為固定或可調的交流電）、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成。為了使輸出電壓大小和輸出頻率都得到控制。通常采用PWM型逆變器。PWM控制方式就是通過改變脈沖寬度來改變電壓大小，變壓的同時改變頻率。這種變頻調速方法由于調節同步轉速n0 ，故可以在變速時保持有限的轉差率，效率高、調速范圍大，能夠使電動機平穩的運行。

2.變頻節能分析

2.1變頻調速節能

變頻調速節能運行主要是從泵、風機類機械開始的，根據泵、風機類機械的負載特性，它的最大特點是負載矩轉與轉速的平方成正比。再根據旋轉運動學公式T=P/Ω（式中T為轉矩，P為功率，Ω為角速度）。因此，泵、風機的功率與轉速的立法成正比。將過去通常采用電動機以固定轉速運行，而用擋板、閥門調節風、水量的方法，改為根據所需要的水流量調節轉速。由于水流量正比于轉速，所以，當水流量下降時，轉速就應成比例下降，需要的功率也就成立方關系下降，由此可見降低電動機轉速可得到立方級的節能效果。

2.2最佳工作節能

采用U/f 控制方式的變頻器在輸出某一頻率，負載一定時，存在著一個最佳工作點。負載變化時，最佳工作點也轉移。變頻器可迅速適應負載變動，自動搜索最佳工作點，使電動機總是在最佳工作點上運行，達到節能效果。

2.3軟啟動節能

異步電動機在額定頻率和額定電壓下直接啟動時，要從電網吸收4～7倍的電動機額定電流，這么大的啟動電流，不僅造成線路電壓降增大，同時也增加了線損和銅損，以及對傳動機械帶來破壞性沖擊力等問題。利用變頻器軟啟動的功能，使電動機在啟動過程，頻率可以從很低開始，電壓按一定規律上升，這樣可以有效地將啟動電流限制在一定范圍內。啟動電流的下降，減小了線路電壓降，避免了對電網的沖擊；同時也減小了線損和銅損，節約了電能；以及減少了啟動慣性對傳動機械的破壞性沖擊，延長了設備的使用壽命。

2.4無功補償節能

異步電動機在把電能轉變為機械能的過程，需要從電網吸收一定的感性無功功率。無功功率的存在，不僅使電動機出現了鐵心損耗，引起電動機發熱；同時使功率因數降低，造成了大量無功電能在線路中消耗掉，導致設備的使用效率降低。使用了變頻器后，由于變頻器內部的中間直流環節有大電容存在，對電路起到無功補償的作用，從而使無功功率得到減少，提高了功率因數，降低了損耗，提高了效率。

3.案例

泵、風機的節能原理就是用調速控制代替節流閥或擋風板控制流量，下面通過在泉州濱江花園城F區生活小區供水泵上安裝變頻器為例子，對比改造前后的用電情況，來說明變頻調速技術在泵與風機應用中的節能效果。供水改造前，用三臺7.5KW水泵電動機恒速供水，現改造為變頻恒壓供水系統，采用三菱FR-A540通用變頻器（變頻器內置PID控制功能）驅動3臺7.5KW水泵電動機，作循環方式運行。當供水壓力低于設定壓力，變頻器將頻率升高，反之則降低。

3.1改造前的情況

改造前在供水泵的工作中，采用異步電動機恒速傳動的方案運行，當用水量需要改變時，就要調節供水泵出口或入口的閥門開度。為了保證最大供水的需求，電動機的容量選擇時，一般都留有一定的富余量，通常電動機在70%～100%負載時效率最高。當電動機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電動機效率降低，同時大量的能源消耗在閥門的截流過程中。所以采用交流電動機恒速傳動的方案運行，靠閥門調節水量的泵類設備，使用效率較低，造成大量的能源浪費。

3.2改造后的情況

改造后在供水泵的工作中，當用水量需要改變時，入口或出口的閥門都完全打開，通過傳感器檢測出口水量，再根據水量調節器的信號用變頻器對供水泵的電動機轉速進行調節，從而尋找到合適的、新的工作點，得到合適的水量，達到節能的目的。下表為供水改造后的用電情況，一臺供水泵電動機額定功率為7.5千瓦。

通過改造前后用電量對比，實踐表明用變頻調速來實現恒壓供水，與用調節閥來實現恒壓供水相比較，取得了顯著的節能效果。

4.小結

采用變頻調速技術使得電動機及其拖動負載在無需任何改動的情況下即可按照生產工藝要求調整轉速輸出，降低了損耗，節約了能源，是我國重點推廣的一項節能技術。變頻調速技術的應用，就是要認真分析，結合工藝要求，選用合適的變頻器，對原有設備進行改造，以達到節能的效果，從而提高效率。

參考文獻：

[1]劉美俊《變頻器應用與維護技術》中國電力出版社第1版2008.1.

[2]吳金星《工業節能技術》機械工業出版社2014.

[3]廖為明 張文鋼《泵與風機的節能技術》上海交通大學出版社2013.8.