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風機常識－
風機、泵類在變頻調速技術中的應用
簡介：在工業(yè)生產和產品加工制造業(yè)中，風機、泵類設備應用范圍廣發(fā)；其電能消耗是一筆不小的聲場費用開支。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。
一、引言
在工業(yè)生產和產品加工制造業(yè)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(jié)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(jié)能降耗業(yè)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(fā)展起來的變頻調速技術，正是順應了工業(yè)生產自動化的發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個全新的智能電機時代。一改普通電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(tǒng)高效運行的目的。
八十年代末，該技術引入我國并得到推廣。現已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機傳動設備中得到實際應用。目前，變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要方向。卓越的調速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現有設備的運行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優(yōu)點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現。
二、綜述
通常在工業(yè)生產、產品加工制造業(yè)中風機設備主要用于鍋爐燃燒系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風系統(tǒng)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(jié)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(jié)風門、擋板開度的大小來調節(jié)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(jié)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、維修非要高居不下。
泵類設備在生產領域同樣有這廣闊的應用空間，提水泵站、水池儲罐給排系統(tǒng)、工業(yè)水（油）循環(huán)系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)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、截止閥等節(jié)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，存在啟動電流達，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。
今年來，出于節(jié)能的迫切需要和對產品質量不斷提高的要求，加之采用變頻調速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現高功能化等特點；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＝60f（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。
變頻器就是基于上述原理采用交－直－交電源變換技術，電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。
三、節(jié)能分析
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于流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q與n成正比，H與n2成正比，P與n3成正比；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。
以一臺水泵為例，它的出口壓頭微H0（出口壓頭即泵入口的管路出口的靜壓力差），額定轉速為n0，閥門全開時管阻力特性為r0，額定工況下與之對應的壓力為H1，出口流量為Q1。
在現場控制中，通常采用水泵定速運行出口閥門控制流量。從流量從Q1減小50％至Q2時，閥門開度減小使管網阻力特性由r0變?yōu)閞1，系統(tǒng)工作點沿方向1由原來的A點移至B點；受其節(jié)流作用壓力H1變?yōu)镠2。水泵軸功率實際值（KW）可由公式：P=Q/H/(µc/µb)×10-3得出。其中，P、Q、H、µc、µb分別為表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動裝置效率，直接傳動為1。假設總效率(µc/µb)為1，則水泵由A點移至B點工作時，電機節(jié)省的功耗為AQ10H1和BQ20H2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量Q1減小50％至Q2時，那么管網阻力特性為同一曲線r0，系統(tǒng)工作點將沿方向II由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨于合理。當閥門全開，只有管網阻力的情況下，系統(tǒng)滿足現場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電機節(jié)省的功耗為AQ10H1和CQ20H3的面積差。比較采用閥門開度調節(jié)和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節(jié)能效果。
另外，從圖中還可以看書：閥門調劑時將使系統(tǒng)壓力H升高，這將對管路和閥門的密封性能形成威脅和破壞；而轉速調節(jié)時，系統(tǒng)壓力H將隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對系統(tǒng)產生不良影響。
從上面的比較不難得出：當現場對水泵流量的需求從100％降至50％時，采用轉速調節(jié)將必原來的閥門調節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應的功率大小，節(jié)能率在70％以上。與此相類似的，如果采用變頻調速技術改變泵類、風機類設備轉速來控制現場壓力、溫度、水位等其它過程控制參量，同樣可以依據系統(tǒng)控制特性繪制初關系曲線得出上述的比較結果。亦即，采用變頻調速技術改變電機轉速的方法，要比采用閥門、擋板調節(jié)更為節(jié)能經濟，設備運行工況也將得到明顯改善。
四、節(jié)能計算
對于風機、泵類設備采用變頻調速后的節(jié)能效果，通常采用一下兩種方法進行計算：
1、根據已知風機、泵類在不同控制方式下的流量－負載關系曲線和現場運行的負載變化情況進行計算。
以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量為200.16m3/h，揚程50m；配備Y225M－4型電動機，額定功率45KW。泵在閥門調節(jié)和轉速調節(jié)時流量－負載曲線如下圖所示。根據運行要求，水泵連續(xù)24小時運行，其中每天11小時運行在90％負荷，13小時運行在50％負荷；全年運行時間在300天。
則每年的節(jié)電量為：W1＝45×11×（100％-69％）×300＝46035KW/h
W2＝45×13×[1-（20/50）3]×300＝80309KW/h
W=W1+W2=46035+131625=177660KW/h
每度電按0.5元計算，則每年可節(jié)約電費8.883萬元。
2、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時的公里。
以一臺工業(yè)鍋爐使用的22KW鼓風機為例。運行工況仍以24小時連續(xù)運行，其中每天11小時運行在90％負荷（頻率按46Hz計算，擋板調節(jié)時電機功率按98％計算），13小時運行在50％負荷（頻率按20Hz計算，擋板調劑時電機功率按70％計算）；全年運行時間在300天為計算依據。
則變頻調速時每年的節(jié)電量為：W1=22×11×[1-（46/50）3]×300＝16067KW/h
W2=22×13×[1-（20/50）3]×300＝80309KW/h
Wb＝W1+W2＝1452+21780＝23232KW/h
相比較節(jié)電量為：W＝Wb－Wd＝96376-23232＝73144KW/h
每度電按0.5元計算，則采用變頻調速每年可節(jié)約電費3.657萬元。某工廠離心式水泵參數為：離心泵幸好6SA-8，額定流量53.5L/s，揚程50m；所配電機Y200L2-2型37KW。對水泵進行閥門控制和電機調速控制的情況下的實測數據記錄如何：
流量L/s時間（h）消耗電網輸出電能（KW/h）
47233.2×2＝66.428.39×2＝56.8
40830×8＝24021.16×8＝169.3
30427×4＝10813.88×4＝55.5
201023.9×10＝96.
合計24653.4378.3
相比之下，在一天內變頻調速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省275.1KW/h的電量，節(jié)電率達42.1％。
五、結束語
風機、泵類等設備采用變頻調速技術實現節(jié)能運行時我國節(jié)能的一項重點推廣技術、收到國家政府的普遍重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就
把它列為通用技術加以推廣。時間證明，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調速控制方式，即提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產周期。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。
我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統(tǒng)的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調速器來調節(jié)流量、風量，應用變頻器節(jié)電率為20％～50％，而且通常在設計中，用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，效率低下，造成電能的大量浪費。因此推廣交流變頻調速裝置效益顯著。
采用變頻器驅動具有很高的節(jié)能空間。目前許多國家均已指定流量壓力控制必須采用變頻調速裝置取代傳統(tǒng)方式，中國國家能源法第29條第二款也明確規(guī)定風機泵類負載應該采用電力電子調速。
變頻調速節(jié)能裝置的節(jié)能原理
１、變頻節(jié)能
由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）╳ H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。例如：一臺水泵電機功率為55KW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8％，當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5％.
２、功率因數補償節(jié)能
無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，由公式P=S╳COSФ，Q=S╳SINФ，其中S－視在功率，P－有功功率，Q－無功功率，COSФ－功率因數，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數在0.6-0.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，COSФ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。
3、軟啟動節(jié)能
由于電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流等于(４-7)倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備的維護費用。
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