浅谈变频调速技术在泵与风机应用的节能效果

苏翠云　苏两河

【摘 要】文章简述了变频调速技术工作原理，详细介绍了变频调速技术的节能原理，并通过变频技术在供水泵的具体应用，说明了变频技术具有较好节能的效果。

【关键词】变频；水泵；电动机；调速节能

能源是全人类赖以生存的基本条件，我国是能源消费大国，能源供需缺口较大，要保证国民经济长期、持续、稳定发展，必须坚持“开发与节约并重，节约放在优先”的方针，大力发展节能技术。随着现代电力电子技术和控制技术的发展，出现了对交流电动机来说最好的调速方法，就是变频调速。变频调速技术，具有调速范围广、动态响应快、运行效率高、功率因数高等优点，充分提高了设备的利用率，有着显著的节能效果。在我国多种行业的电动机传动设备中得到实际应用。

1.变频调速技术

什么叫变频调速技术，根据异步电动机转速公式n =60f（1-s）/p，从式中可知，当转差率s变化不大时，异步电动机的转速n基本与电源频率f成正比。变频调速技术就是连续调节电源频率，以达到平滑改变电动机运行转速的技术。要实现异步电动机的变频调速，必须有能够同时改变电压大小和频率的供电电源。这种装置一般简称为变频器，变频器主要有交—直—交和交—交两类。目前用的比较多的是交—直—交。它是先将工频电源通过整流器变成直流，而后再经逆变器将直流变为可控频率的交流。交—直—交变频器主要由整流器（电网侧把交流电变为固定或可调的直流电）、滤波回路（中间直流环节）、逆变器（负载侧把直流电变为固定或可调的交流电）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。为了使输出电压大小和输出频率都得到控制。通常采用PWM型逆变器。PWM控制方式就是通过改变脉冲宽度来改变电压大小，变压的同时改变频率。这种变频调速方法由于调节同步转速n0 ，故可以在变速时保持有限的转差率，效率高、调速范围大，能够使电动机平稳的运行。

2.变频节能分析

2.1变频调速节能

变频调速节能运行主要是从泵、风机类机械开始的，根据泵、风机类机械的负载特性，它的最大特点是负载矩转与转速的平方成正比。再根据旋转运动学公式T=P/Ω（式中T为转矩，P为功率，Ω为角速度）。因此，泵、风机的功率与转速的立法成正比。将过去通常采用电动机以固定转速运行，而用挡板、阀门调节风、水量的方法，改为根据所需要的水流量调节转速。由于水流量正比于转速，所以，当水流量下降时，转速就应成比例下降，需要的功率也就成立方关系下降，由此可见降低电动机转速可得到立方级的节能效果。

2.2最佳工作节能

采用U/f 控制方式的变频器在输出某一频率，负载一定时，存在着一个最佳工作点。负载变化时，最佳工作点也转移。变频器可迅速适应负载变动，自动搜索最佳工作点，使电动机总是在最佳工作点上运行，达到节能效果。

2.3软启动节能

异步电动机在额定频率和额定电压下直接启动时，要从电网吸收4～7倍的电动机额定电流，这么大的启动电流，不仅造成线路电压降增大，同时也增加了线损和铜损，以及对传动机械带来破坏性冲击力等问题。利用变频器软启动的功能，使电动机在启动过程，频率可以从很低开始，电压按一定规律上升，这样可以有效地将启动电流限制在一定范围内。启动电流的下降，减小了线路电压降，避免了对电网的冲击；同时也减小了线损和铜损，节约了电能；以及减少了启动惯性对传动机械的破坏性冲击，延长了设备的使用寿命。

2.4无功补偿节能

异步电动机在把电能转变为机械能的过程，需要从电网吸收一定的感性无功功率。无功功率的存在，不仅使电动机出现了铁心损耗，引起电动机发热；同时使功率因数降低，造成了大量无功电能在线路中消耗掉，导致设备的使用效率降低。使用了变频器后，由于变频器内部的中间直流环节有大电容存在，对电路起到无功补偿的作用，从而使无功功率得到减少，提高了功率因数，降低了损耗，提高了效率。

3.案例

泵、风机的节能原理就是用调速控制代替节流阀或挡风板控制流量，下面通过在泉州滨江花园城F区生活小区供水泵上安装变频器为例子，对比改造前后的用电情况，来说明变频调速技术在泵与风机应用中的节能效果。供水改造前，用三台7.5KW水泵电动机恒速供水，现改造为变频恒压供水系统，采用三菱FR-A540通用变频器（变频器内置PID控制功能）驱动3台7.5KW水泵电动机，作循环方式运行。当供水压力低于设定压力，变频器将频率升高，反之则降低。

3.1改造前的情况

改造前在供水泵的工作中，采用异步电动机恒速传动的方案运行，当用水量需要改变时，就要调节供水泵出口或入口的阀门开度。为了保证最大供水的需求，电动机的容量选择时，一般都留有一定的富余量，通常电动机在70%～100%负载时效率最高。当电动机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电动机效率降低，同时大量的能源消耗在阀门的截流过程中。所以采用交流电动机恒速传动的方案运行，靠阀门调节水量的泵类设备，使用效率较低，造成大量的能源浪费。

3.2改造后的情况

改造后在供水泵的工作中，当用水量需要改变时，入口或出口的阀门都完全打开，通过传感器检测出口水量，再根据水量调节器的信号用变频器对供水泵的电动机转速进行调节，从而寻找到合适的、新的工作点，得到合适的水量，达到节能的目的。下表为供水改造后的用电情况，一台供水泵电动机额定功率为7.5千瓦。

通过改造前后用电量对比，实践表明用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀来实现恒压供水相比较，取得了显著的节能效果。

4.小结

采用变频调速技术使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可按照生产工艺要求调整转速输出，降低了损耗，节约了能源，是我国重点推广的一项节能技术。变频调速技术的应用，就是要认真分析，结合工艺要求，选用合适的变频器，对原有设备进行改造，以达到节能的效果，从而提高效率。

参考文献：

[1]刘美俊《变频器应用与维护技术》中国电力出版社第1版2008.1.

[2]吴金星《工业节能技术》机械工业出版社2014.

[3]廖为明 张文钢《泵与风机的节能技术》上海交通大学出版社2013.8.