變頻調速技術在風機、泵類應用中的節能分析

在工業生產和產品加工制造業中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節流損失以及維護、維修費用占到生產成本的7%-25%，是一筆不小的生產費用開支。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節能降耗已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。而八十年代初發展起來的變頻調速技術，正是順應了工業生產自動化發展的要求，開創了一個全新的智能電機時代。普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動機及其拖動負載在無須任何改動的情況下即可以按照生產工藝要求調整轉速輸出，從而降低電機功耗達到系統高效運行的目的。

通常在工業生產、產品加工制造業中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統等場合，根據生產需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調節以適應工藝要求和運行工況。而最常用的控制手段則是調節風門、擋板開度的大小來調整受控對象。這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節流損失消耗掉了。在生產過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下。

泵類設備在生產領域同樣有著廣闊的應用空間，提水泵站、水池儲罐給排系統、工業水（油）循環系統、熱交換系統均使用離心泵、軸流泵、齒輪泵、柱塞泵等設備。而且，根據不同的生產需求往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。這樣，不僅造成大量的能源浪費，管路、閥門等密封性能的破壞；還加速了泵腔、閥體的磨損和汽蝕，嚴重時損壞設備、影響生產、危及產品質量。

風機、泵類設備多數采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在啟動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現泵損壞同時電機也被燒毀的現象。因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。

變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。如下圖示為壓力H-流量Q曲線特性圖:

n1-代表電機在額定轉速運行時的特性；

n2-代表電機降速運行在n2轉速時的特性；

R1-代表風機、泵類管路阻力最小時的阻力特性；

R2-代表風機、泵類管路阻力增大到某一數組時的阻力特性。

風機、泵類在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風機、泵類所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實際上通過增加管網管阻，使風機、泵類的工作點移到R2上的B點，壓力增大到H2，這時風機、泵類所需的功率正比于H2與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風機、泵類所需的功率增大了。這種調節方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡單控制方式。

若采用變頻調速，風機轉速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調速后風機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節能效果，通常采用以下兩種方式進行計算：

1、根據風機、泵類平方轉矩負載關系式：P / P0=（n / n0）3計算，式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率

以在山東淄博水泥廠改造的三臺風機為例。改造后轉速分別為1173r/min、1068r/min、1017r/min。則節電率分別 (除去變頻器自耗電3%左右)為:

y1=1-（1173/1485）³-3%＝47%,

y2=1-(1068/1485) ³-3%=59%,

y3=1-(1017/1485) ³-3%=65%.

2、根據現場運行的電流、電壓直接計算

改造前電壓為380V，電流分別為216A、209A、217A，運行工況以 24小時連續運行，全年運行時間以300天，功率因素以0.85為計算依據。

則改造前這三臺每年的電量分別為：

Wg20=1.73×380×216×0.85×24×300=869030kW·h

Wg21=1.73×380×209×0.85×24×300=840867kW·h

Wg22=1.73×380×217×0.85×24×300=873053kW·h

改造后電壓分別為300V，260V，260V。電流分別為152A，140A，130A。

這三臺每年的電量分別為：

Wg20=1.732×300×152×0.85×24×300=483352kW·h

Wg21=1.732×260×140×0.85×24×300=385388kW·h

Wg22=1.732×260×130×0.85×24×300=357860kW·h

相比較節電量為：

Wg20= W1－W11=869030-483352=385678kW·h

Wg21= W1－W11=840867-385388=455299kW·h

Wg22= W1－W11=873053-357860=515193kW·h

每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年

G20可節約電費192839元，

G21可節約電費227649元，

G22可節約電費257596元。

風機、泵類等設備采用變頻調速技術實現節能運行是我國節能的一項重點推廣技術，受到國家政府的普遍重視。實踐證明，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此還大大減少了設備維護、維修費用，降低了停產周期。直接和間接經濟效益十分明顯，設備一次性投資通常可以在9個月到16個月的生產中全部收回。