风机、水泵变频控制的节能原理分析

一、概述

多年来由于种种原因，在我国存在着大量需调速而没能调速的机械设备，而这些主要集中在风机水泵类，它们消耗和浪费了大量的电能。如工业锅炉上的鼓风、引风机，小区中的供水、供暖等。它们都是电机以定速运转，再通过改变风机（水泵）入口的档板（阀门）开度，来调节风量（压力）。如果用调速的方法，把消耗在挡板上的能量节省下来，每台风机（水泵）平均可节能10～20%，效果非常可观。

二、风机（水泵）的基本特性及调速节能原理

1.风机（水泵）的基本参数和特性曲线

a.风机（水泵）在工作过程中的基本参数

(1) 流量Q   表示单位时间流过风机（水泵）的空气（水）量，单位为m3/s、m3/min、m3/h。

(2) 压力H   表示当空气（水）流过风机（水泵）时，风机（水泵）给予每m3空气（水）的总能量。单位为Pa、MPa等。

(3) 轴功率Ps 为风机（水泵）工作时有效总功率，单位为kW。

                 Ps＝QH／1000

b.风机（水泵）的工作特性   

主要由H-Q曲线来表述，H-Q曲线是表示当转速恒定时，压力H与流量Q之间关系的特性，如图1-1所示。

图1－1   风机的特性曲线图

图中，A点为风机（水泵）的运行工作点。HA和QA分别为在A点运行时的压力和流量。

c．管网阻力特性表示当管网的阻力R保持不变时，管网的阻力h与流量Q之间的关系特性如图1-2所示。

管网阻力与流量之间的关系由阻力定律决定：

h=RQ²

式中，h为管网阻力。

图1－2   管网阻力特性曲线

2． 风机（水泵）的节电方法及节电原理。

a．风机（水泵）在工作过程中的功耗

1. 1. 电动机的轴功率；
   2. 线路损耗；
   3. 控制装置损耗；
   4. 机械损耗。

b．风机（水泵）的基本节电方法

1. 减少运行时间；

2. 采用高效风机和设备｛包括风机（水泵）、电机、传动装置、控制装置等）｝等；

3. 调节转速的节电原理    采用调节转速控制流量的方法和常用的调节阀门的方法相比，有着明显的节电效果，其原理如图1-3所示。

图中，曲线1为风机（水泵）在恒速下的压力-流量（H-Q）特性曲线；曲线2为恒速下的功率-流量（PS-Q）特性曲线；曲线3为管网阻力特性（阀门全开）。

设风机（水泵）在设计时工作在A点，效率最高，此时输出流量Q为100%，轴轴功率为PS1，与Q1、H1的乘积成正比，即PS1与AH1OQ1包围的面积成正比。

当需要调节流量时，例如，所需流量从100%减少到额定流量的50%，即从Q1减少到Q2时，如采用调节阀门的主法来调节流量，使管网阻力曲线由曲线3变为曲线4。就是说，减少阀门开度增加了管网阻力。此时，系统的工作点由原来的A点移到B点。可以看出，流量虽然降低了，但压力增加了，轴功率PS2与面积BH2OQ2成正比，它与PS1相比，减少的不多。

如果采用调节转速来调节流量的方法，风机（水泵）转速由原来的n1降到n2。根据风机（水泵）参数和比例定律，可以画出在转速n2下的压力-流量（H –Q ）特性曲线5，风机（水泵）工作在C点。可见，在满足同样流量Q2的情况下，压力较大幅度降低到H3，轴功率PS2（与面积CH3OQ2成正比）也明显降低。所节约的功率与面积AH1OQ1和 CH3OQ2之差成正比。由此可见，用调速的方法来减少流量的经济效益是十分显著的。

由流体力学可知，风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率PS与转速n的三次方成正比。即：

Q∝n

H∝n2                          

Ps∝n3

当所需流量减少，风机（水泵）转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如下表1-2。

表1-2

当然，转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此，这种方法的节能效果也是非常可观的。

三、改造方案

从以上原理分析：要提高电动机的工作效率、节约电能，可在风机（水泵）电动机上装上调速装置。根据工作的情况调节调速器装置的速度可以满足工作状况的要求。另外，用变频器对风机（水泵）进行改造不必对原系统进行大改动。因此，变频器在风机（水泵）改造方面得到广泛的应用，在变频改造的过程中，当我们需要时，让电动机高速运行以达到我们的要求。当不在工作时，使电动机低速运转节约电能。同时，可根据我们的需要而调节变频器，以满足我们的工作要求。　　　　　　　　　　　　
   通过对变频器在工业锅炉上的应用进行总结，具有以下优点：
1、 节电降耗效果显着，操作简便，调节平衡，尤其与微机控制相联更体现了优越性，深受司炉工的欢迎。
2、 平滑启动及随机转速下降，机械磨损减小，故障率下降，减少了停机对生产的影响。
3、 调节阀门的机械磨损、卡死等故障不复存在了。

四、改造案例

本公司变频在城市供暖系统中的应用。

1. 城市供暖原理

在北方城市一般采用热水循环供暖，因此在供暖水管前端有送水泵，末端有回水泵。送水泵将加热到一定温度的水通过送水泵送入管道，回水泵将管道中释放热能后的水送回锅炉重新加热，如此循环。

供暖设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算供水流量，然而，实际上每年只有极短时间出现最大供水流量，因此，系统在绝大部分时间里，都是在部分负荷（远小于其额定容量）条件下运行的。据统计，实际负荷平均只有设备能力的60%左右，因而出现了“大马拉小车”的现象，这无疑造成了大量的能源白白浪费。而且，系统长期处在工频额定状态下高速运行，机械磨损严重，导致设备故障增加和使用寿命缩短。

2. 变频控制节能原理

采用变频器实行PID闭环控制。通过检测到出水与回水的温度差值差，与 PID 设定值进行比较运算后送入变频器来控制泵机运转，以达到根据过程量来控制泵机的作用，改变其流量使系统的温差、供回水温度和流量运行在最佳范围内，其目的是在满足要求的前提下将泵机需求量减小的那部分电节省下来，以节省电费开支。并且，根据实际应用得出变频控制对泵机没有任何影响，变频器调节水泵的频率的范围为 35Hz-45Hz，从而不会使水泵效率过低。

变频器可根据气候变幻（阴、晴、雨、雪的变化）、昼夜轮回（白昼与黑夜温度的差别）、人流量增减（人流量的变化）等来进行实时控制，实时节能。

由于原系统电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于（４-7）倍额定电流，这样会对机电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，启动时产生的大电流和震动时对挡板或阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频装置后，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。节省了设备的维护费用。

五、改造效果

新疆供暖系统改造

1、90KW为例
改造前实测数据
U=380V  I=160A  cosΦ=0.887
P=1.732UIcosΦ
=1.732×380×160×0.887
=93.4KW

改造前每年耗电量（全年运行100天计）
93.4KW×24×100=224160度

2、改造后实测数据
U=380  I=100A  cosΦ=0.98 
P=1.732×380×100×0.98=64.5KW

改造后每年耗电量（全年运行100天计）
64.5KW×24×100=154800度

3、每年节省的电量：
224160－154800=69360度
节电率：69360÷224160=30%

每年节约电费（按0.6元/度计）：
69360×0.6=41616元

六、总结

对风机改造表明：

1. 采用交轮流变频器对风机（水泵）进行节能改造具有结构简单、改造方便、节能效果明显、投资回收期短的特点。
2. 使用变频器后，风机（水泵）可软起软停、减少设备机械冲击、延长设备使用寿命、降低设备的维修费用。
3. 变频调速技术先进、成熟，提高了设备的技术含量。