变频器在风机、水泵中的节能应用

徐建宇

摘要：由风机、水泵类负载节能，来阐述变频器是控制风机、水泵实现节能最佳方式，对提高自动化程度，减少人为因素的影响进行较详细分析，通过实例计算来证明在理论上是正确的，虽然初期一次性投资比较大，但从长远上来看在经济上是值的。

关键词：风机；水泵；节能；功率因数；变频器

前言

风机、水泵作为工业和生活中的通用机械有应用量大、应用面广的特点，其配套电机量也是巨大的，有资料统计，风机、水泵的耗电量占全国总发电量的20%以上，由于容量和工艺原因，大多数的风机、水泵类负载存在着不同程度上的电能浪费，在提倡节约能源的今天，减少浪费，节能问题的研究也迫在眉睫，变频控制是目前最好方法。

1.风机、水泵负载节能原理

传统风机、水泵流量的设计均以最大需求来设计，其调整方式采用挡板、风门、回流、起停电机等方式控制，无法形成闭环回路控制，也较不考虑省电的观念，但实际使用中流量随着各种因素而变化，往往比最大流量小的多，要减少流量时，通常情况下只能调节档板和阀门的开度，阀门控制法的实质是通过改变管网阻力大小来改变流量，而这种控制方式当所需流量减小时，压力反而会增加，故轴功率的降低有限，此时，过剩的风机、水泵功率将导致压力增加造成很大的能量损耗。

由流体力学原理可知：流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比，如果水泵效率一定，当流量下降时转速成比例下降，而此时对轴输出功率p成立方关系下降；风机、水泵变频节能控制可在保持阀门、挡板开度不变的前提下，通过改变风机的转速来调节流量，其实质是通过减少流体动力来节电。这种控制方式可从根本上消除风机、水泵设备，由于选型或负荷变化普遍存在的“大马拉小车”的动力浪费现象，消除了挡板截流阻力，使风机、水泵始终运行在最佳工作状态。

2.风机、水泵变频控制特点

2.1异步电动机原理n=60f/p（1-s），可知变频调速是风机、水泵调速最佳方法，风机、水泵电机直接启动或Y/D启动，启动电流为其额定电流的4～7倍；这样会对电机设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的电流和震动时对挡板和阀门损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。

2.2使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，改善设备运行状况、降低机械磨损及维修、维护人员费用支用。

2.3水泵变频使电机在起动、停止、运转过程中均无冲击电网电流，还可以最大限度地提高电动机功率因数和电机效率，减少无功损耗及补偿容量，减少电机的噪声、温升、震动和从电网吸收电能。

2.4无功功率不但增加线损和设备的发热，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=S×COSφ，可知COSφ越大有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSφ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

2.5图1为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门，这时阀门的磨擦阻力变大，管路曲线从R移到R′，扬程则从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。

2.6图2为调速控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速，如果把速度从n降到n′，性能曲线由（Q-H）变为（Q-H）′，运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。

2.7根据离心泵的特性曲线公式两者之差为：ΔN=Nb-Nc=R×Q2×（Hb-Hc）/102η，也就是说，用阀门控制流量时，有ΔN功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加，用转速控制时，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，取得良好的节能效果。

3.水泵的工作点（流量、扬程、功率损耗）与转速的关系图表如下

（效率不变、转速变化曲线）

4.电机效率随转速变化举例

5.变频效率随转速变化举例

6.以5台空调二次泵（4用1备，每台水泵参数为1200T/H，48M）为例

7.采用变频控制装置运行费用

Total power consumption KWH6784.63

Totao power consumption per year KWH1221233

以上数据是按照一年运行6个月，每月30天，每天24小时

运行一年耗能：每年节省电：1941201-1221233=719968KWH节省百分比：719968/1941201=37%按每度电一元算，共节省719968元/年。

8.风机节能效果计算

8.1风机的调速节能效果计算比较简单，由于风机系统一般不存在反压，所以风机调速运行时消耗的电功率，可以直接用比例定律求得，注意使用工频运行电功率应为采用风门调节时风机实际消耗的电功率，而不是电动的额定电功率，而转速也应为中心调节频率（转速），而不是最低（频率）转速。

8.2根椐风门开度数据测算出准确的风量数据，才能准确算出节电率来，最准确的是根椐各种工况下的风量、风压和电动机电流数据进行计算；其次是根椐风机的特性曲线以及风门开度和电流数据进行计算，风门开度决定节电率，而电动机电流的大小则决定节电量，风门开度的准确性是致关重要的，其次就是风量的计算龙为关键，它对计算结果的影响可谓：“失之毫厘，差以千里”！所以，风量的计算一定要慎之又慎！

8.3例某电站锅炉为75t/h循环流化床锅炉，其送风机（一次风机）为离心式风机，设计余量较大，在满负荷时入口风门开度仅为70%（出口风门全开），每天运行时间为8h；80%负荷时风门开度为55%，每天运行进间为10h；60%负荷时风门开度为45%（低于44%开度时风压报警），每天运行时间为6h，试计算变频调速节能改造后的节能的效果。

注：风机采用变频器调速时，风门全开，全速运行时输出额定风压22000pa，根椐比例定律，为保证最低风压10000pa时的转速为额定转速的67.49%，为了留有风压余量，最低转速取额定转速的70%（1036r/min），变频器的最低输出频率为35HZ。

9.结论

理论计算结果和实际运行有一定差距，这是正常的，虽然变频调速在节能效果明显，但是宣传应实事求是，不能随意夸大节能效果，以免误导和欺骗用户。

参考文献：

[1] 符锡理.变频调速泵供水原理及实践，《变频器世界》，1999，N010.

[2] 陈运珍.变频器在水行业节能降耗中的巨大作用.变频技术应用，2006（1）

[3] 杜金城主编.电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001.

[4] 张燕宾.电动机变频调速图解.中国电力出版社，2003.