變頻調速技術在風機、泵類應用中的節能分析

張曉東 郭瑞斌

摘要：變頻調速技術作為一種通過調節電機頻率來達到節能目的的技術越來越多地被企業所青睞，通過變頻調速來降低設備使用的功率，從而降低設備的耗能，具有效率高、精度高、易操作的特點。本文通過介紹變頻調速技術在風機、泵類設備中的應用來分析該技術的節能效果，以期進一步推廣該技術。

關鍵詞：變頻調速;節能;風機;泵

傳統的風機、泵類設備，電能消耗很大，而且只能以定速方式運行，不僅功耗較大，效率也較低。如今，隨著我國社會的發展，科技的進步，我國自80年代初發展了變頻調速技術，制造了一個又一個全新的智能電機，這種智能電機具有先進的調速性能，節約電力，使用壽命長等優點，不僅解決了電能消耗大的問題，而且可使系統高效無壓力的運行。目前，這種智能電機在很多領域得到了有效的使用，變頻調速技術也成為了現代電力傳動技術的主要發展方向之一。

1風機、泵類控制設備現狀

風機、泵類設備運行控制設計簡單，應用領域廣泛，例如鐵路的動力設備大多采用的就是風機、泵類。然而，風機、泵類控制設備面臨的巨大挑戰之一是電能的浪費。大多數情況下，風機的流量設計是以對最大風量的需求進行設計的，水泵的流量設計也是按對最大流量的需求進行設計的，對于風機的調整方式常常采用風門、回流等方式進行控制，不能形成一個閉環;對于水泵的調控主要通過調整閥門的大小，以及對電機的開關等方式。一些生產廠家為了保證產品的可靠性，在對風機、泵類設備配載動力驅動時，還留有裕量，例鼓風機，排風機，流風機，離心泵等。所以，很多顧客所使用的電機雖大部分時間是在額定功率下運行的，但其不能在任何情況下進行滿負荷的運行。如此一來，這些電機設備除達到對動力驅動的需求外，還會消耗多余的力矩，這些力矩也是有功功率的消耗，從而浪費了大量的電能。與此同時，有些生產工藝在產品的生產過程中，需要不斷的改變設備的風量或流量，工作原理其實就是給機器施加阻力，以達到調節風速與流量的目的，而這種調節的方式及其消耗電能。在對于電氣的控制方面，傳統的方式是設置啟動裝置，直接啟動。這種直接啟動的方式，目的是為了降低對電網的沖擊，而不能調控風機、泵類的轉速，因此這種方式對于節能并沒有太大作用，相反，還會加大對設備的機械沖擊，減少設備的使用壽命。然而目前，電動機的使用還是主流，電動機在鐵路動力的提供上占60%-70%，甚至更高，因此，研究風機、泵類設備的節能問題任重而道遠，意義重大。

2變頻器的結構和基本工作原理

變頻調速器是一種通過改變電機頻率和電壓的自動化裝置，簡稱變頻器，具有耐用性、高精度、多功能的特點，傳統的風門、閥門、擋板逐漸被變頻調速器所取代。變頻器的組成部分主要包括IGB7r模塊、集成電路板、開關、電容、電阻、CPU等零件。變頻器采用電源變換技術將電力電子和計算機技術融合在一起形成綜合性的電氣設備。變頻調速器通過調節電機的轉速和電源輸入的頻率來控制電機的功率，通過電機電源頻率的改變來實現電機轉速的改變。變頻調速器就是通過改變輸入頻率、電機磁極對數、電機轉差率等變量來達到控制電機轉速的目的。

2.1電動機調速與節能的關系

作為非固定型的設備，風機和水泵等流體機械的性質決定了其轉速變化與流量、壓力和功率之間存在一定的運算和邏輯關系，其中流量與轉速成一次方正比關系，壓力與轉速成二次方正比關系，功率與轉速成三次方正比關系，也就是說，轉速的降低可以減少流量，從而節約能量，而最終所消耗的功率也會降低。轉速與流量之間的相互關系，可以決定其功率的大小，例如轉速下降20%時，則流量也相應減少20%，最終的軸功率將會下降到額定功率的（1-20%）?;若流量下降60%，則轉速也會相應地下降60%，此時軸功率就會降低到額定功率的（1-60%）?。

由上可以得出，至少有兩種方式可以調節風機和水泵的流量，首先在電機的轉速不變的前提下，可以調節風閥等來控制流量，以此來改變風閥的開度，使管道內的特性發生變化來增大管道內的阻力。另一種是保持風閥開度不變，管道內特性不變、阻力不變，調節電機的轉速來控制和調節設備的流量來降低軸功率的消耗。因此，調速在風機和水泵等流體機械設備中的運用在節能方面發揮著非常關鍵的作用。企業生產股衡中風機和水泵等類似的機械比較多，通過控制其中的變量可以將耗能大的設備降低其生產過程中的耗能，降低企業的經營成本，且此類設備內附潛能巨大的節能特點，值得各生產企業的大力推廣和應用。

2.2電機在不同頻率下運行的節電效果

電機在不同頻率下降比下的節電率對比如下：

計算公式為：節電率=1-（1-頻率下降比）?，頻率下降比為10%、15%、20%、25%、30%時，節電率分別為27.10%、38.60%、48.80%、57.80%、65.70%。由以上計算可以得出，倘若電機的運行頻率保持在30%的下降率，從長期的負載來看沒有擴張趨勢，成本和效益上來說更換電機系統更加合理經濟。

3節能計算

一般常用的會有兩種計算方式來計算變頻調速技術用在風機、泵類設備上的節能效果：

第一種是基于在不同控制方法下，按照風機和泵類設備在流量和負載的關系與實際產生的負荷之間的關系來計算。以離心泵為例，假設離心泵的額定流量是200m?/h，揚程50m;配套使用的電動機額定功率是45kw，則根據實際需要，假設水泵24小時不間斷運行，其中11小時產生90%的負荷，其余時間產生50%負荷，按照一年300個工作日來計算每年的節電量如下：節省電量=45×300×（11×（100%-69%）+13×（95%-20%））=177660kW/H，按照0.6元每度電的價格來計算，每年累計可節省約106.6kRMB。

第二種是基于風機和泵類設備在變頻調速下產生的負載關系來計算節約的能源，二者的關系為P/P0=（n/n0）?，額定轉速n0控制下產生的功率為P0，實際轉速n控制下產生的功率為P。以功率為20kW的工業鼓風機為例，假設鼓風機是24小時不間斷運行，其中10小時產生90%的負荷（46Hz的頻率，擋板調節時造成98%電機功耗），其余14小時產生50%負荷（20Hz的頻率，擋板調節時造成70%電機功耗）。

最終可以節省的電量W=Wb-Wd=101092.992-29040=72052.992kW/H，按照0.6元每度電的價格來計算，使用變頻調速技術企業每年可節約電費約43kRMB。

4.結束語

綜上所述，變頻調速技術不僅可以協助企業達到節能效益，還可以帶來可觀的經濟收益。作為一項節能技術，變頻調速技術運用在風機和泵類等設備中需要我國政府和企業大力推廣及使用，不僅是因為其能夠節約能源和資源，更是因為其作為一項先進的技術能夠有效地提高企業的生產力，提升設備的效率和良率，在生產工藝得到滿足的同時可以降低設備維護維修成本，提高單位產能，從而提高企業的生產經營能力和企業效益，是一種值得廣泛用于各個行業的技術。

參考文獻：

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[2]李方園.基于變頻控制的離心脫水機控制系統.機械工業出版社，2003（5）.

[3]姚瀟雨.幾種泵類/風機控制方案淺析.變頻器世界，2011（6）.

作者簡介：張曉東（1991.11—），男，漢族，籍貫：內蒙古自治區呼和浩特市，本科，助理工程師，研究方向：熱能與動力工程。