变频技术节能改造应用

【摘 要】变频器作为近10年发展起来的交流电机新型调速装置可以使电动机获得高性能，而且具有显著的节能效果，其推广使用符合当前国家提倡节能减排，可持续发展战略要求。利用变频器进行节能改造，可以获得很高的经济效益。

【关键词】变频器；阀门；水泵；节能

0.引言

中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。据统计全国发电量的60-70%为通过电机转换能量，而在总容量为7亿千瓦的电动机总容量中，只有不到15%电动机是带变频控制的。在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦，因此国家着重推荐了变频节能技术。变频器有调速精度高、响应快、保护功能完善、过载能力强、节能显著、维护方便、智能化程度高、易于实现复杂控制等优点。

1.对于风机、泵类负载变频调整节能原理

按照电机学的基本原理，电机的转速满足式

（1）

式中： p-电机极对数；

f-电机运行频率；

s-电机转差率。

由式（1）可知， 电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关，因此，交流电动机的直接调速方式主要有变极调速（调整变频与调速x EM CAp） 、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机（调整s）和变频调速（调整f）等。

变频调速器从电网接收到50 Hz的交流电后，经整流、滤波将其转换成直流电，再将直流逆变成频率和电压可调的交流电，最后输出到交流电动机，以实现交流电机的变速运行。

图1

更直观的，如图1：水泵（或风机）的正常工作点为A，当水量（或风量）需要从Q1 调到Q2 时，采用阀门调节，管网特性曲线由R1 （阀门全开）变为R2 （阀门关小） ，其工作点调至B点，其功率为OQ2BH′2所围成的面积，其功率变化很小，但其效率却随之降低。当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变设备的性能曲线，图中从n1（额定转速）到n2 （转速下降） ，其工作点调至C点，使其参数满足工艺要求，其功率为OQ2 CH2 所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，仍然工作在高效区。图1中阴影部分即为变频调速实际节约的能耗。

2.风机、泵类平方转矩负载的变频技术改造节能估算风

风机、泵类通用设备的用电占电动机用电的50%左右，这就意味着占全国用电量的30%。采用电机变频调速来调节流量 ，比用阀门之类来调节，可节电 20%--50%，平均按30%计量，节省电量为全国总电量的9%，这将产生巨大的社会效益和经济效益。生产中，对风机、水泵常用阀门、挡板进行节流调节、增加了管路的阻尼，电机仍以额定速度运行，能量消耗较大。用变频器对风机、泵类设备进行调速控制，不需要用阀门、挡板进行节流调节，管路阻尼最小，能耗也将大为减少。对于风机、泵类，采用阀门调节流量 ，对应电机输入功率PL与流量Q的关系如式（2）

式中Pe-――额定流量时电动机的输入功率（kW）

QN―――额定流量

若流量 的调节范围为（0.5-1）QN，则节电率如式（3）

从式（2）分析，节流调节时，Q

3.利用变频调速技术改造发酵罐出料泵控制实例

发酵工段有7个发酵罐，用于玉米醪的发酵，每个罐配有一台出料泵，其电机额定功率37.5KW，罐液位控制是利用在泵出口加一自控调节阀依液位情况进行节流控制。物料为玉米浆液，调节阀冲刷磨损严重，一进口硬密封新阀门只能使用6个月左右，就必须更换，否则无法有效进行液位控制。而一新阀门购置价格在6000元左右，其电能消耗为297KW/天。现对电机安装通用变频器，将原泵出口阀门取消。进行变频调速改造后，其能耗为200KW/天。日节电97KW，节电率为31%。综合效益分析：七台出料泵全改造年可节约电费15.6万元，节省阀门购置费用8.4万元改造后，变频器及整个系统工况稳定，完全能满足工艺要求。且出口流量小于额定流量时泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命，节约大量的能源，给企业乃至整个社会带来可观的经济效益。

4.变频调速改造中变频器同电动机的匹配问题

图2

在变频调速的情况下，电动机的可变损耗和不变损耗的构成发生了变化，铁耗随频率变化为可变损耗，电机的铁耗等效电阻的大小不一在变频调速情况下不是恒定不变的，而是随端电压幅值和频率变化而变化。对于给定的转速n，转差率S不随负载转矩的变化而变化，磁通随负载转矩和转速有关。如图2的（a）、（b）、（c）分别给出了变频器、电动机及系统效率在同一固定开关频率下随转矩与电动机控制频变化关系。

图中 （a）表明电机额定转矩时变频器效率最大，效率随电动机转矩的减小而减小，而且电机转矩越小，变频器效率下降越快。同样输出转矩，控制频率越高，变频效率越高。（b）表明，电机效率与转速无关，与转矩成正比。（c）可知，系统效率与转速有关，在50%转矩时，系统效率变化不大，转矩小于40%时，系统效率随转矩降低下降很快。因而在变频调速系统中，选择合适电机和变频器，对系统运行的经济性、稳定性和可靠性起着至关重要的作用。

（1）电流电压额定值选择

变频器与电机的额定电流由变频器的功率半导体最大节温所决定，额定电压取决于电机的最大速度和恒定的气隙磁链。

（2）变频器选择

变频器功率值与电机功率值相当时最合适，分级不同时，变频器功率要略大于电机功率。

电机属频繁启动、抽动或处于重载启动且较频繁工作时，选取大一级变频器，以利于变频器长期、安全运行机制。

电机有瞬停再启动要求时，确认所选变频器有此功能。因变频器停电而停止运行，当瞬时来电再开启时，电机频率如不适当，会引起过电压、过电流动作。

当用流量计等级传感器作为变频器调速控制时，应注意传感输出的信号类型与变频器是否匹配。

5.结语

随着市场竞争日益激烈以及国家对节能减排工作的要求越来越严格，节约能源，降低生产成本，提高竞争力对企业来说尤为重要。充分利用变频调速技术进行研究节能改造，是可行的，且可以带来巨大的经济效益与社会效益。