举例说明离心式风机与水泵采用变频调速节能的原理

举例说明离心式风机与水泵采用变频调速节能的原理
在各种工业用风机、水泵中，如锅炉鼓、引风机、深井、离心泵等，大部分是额定功率运行，而它们的能耗都与机组的转速有关。

通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。

风机流量的设计均以最大风量需求来设计，其调整方式采用调节风门、挡板开度的大小、回流、启停电机等方式控制，无法形成闭环控制，也很少考虑省电。

这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。

在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。

从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

同样，离心式水泵在我国当前的工业生产和人民日常生活中起到很大的作用，水泵使用三相异步电动机进行拖动，水泵流量的设计同样为最大流量，压力的调控方式只能通过控制阀门的大小、电机的启停等方法。

这种人为增加管阻的调节方式虽然满足了生产生活所需的对流量的控制，但是浪费了大量的电能，不是一种经济的运行方式。

电气控制采用直接或Y-△启动，不能改变风机和水泵的转速，无法具有软启动的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪声大，功率因数较低等是其主要难点。

为解决这些难题，相关科研技术人员根据生产需要对风机和水泵等装置的转速进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况，在满足生产需求的基础上又节约了能源。

所以，变频调速对生产生活具有十分重要的意义，这也就意味着我们有必要了解风机和水泵等装置采用变频调速节能的原理。

为了对变频调速节能原理有更清晰、更深入的理解，我们可以先从变频器的工作原理出发。

变频器电路（见下图）的基本工作原理为：三相交流电源经二极管整流桥输出恒定的直流电压，由六组大功率晶体管组成逆变器，利用其开关功能，由高频脉宽调制（PWM）驱动器按一定规律输出脉冲信号，控制晶体管的基极，使晶体管输出一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，其幅值为逆变器直流侧电压Vd而宽度则按正弦规律变化，这一组脉冲可以用正弦波来等效，此脉冲电压用来驱动电机运转，通过控制PWM驱动器输出波形的幅值和频率，即可改变晶体管输出波形的频率和电压，达到变频调速的目的。

交—直—交变频器，主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。

前面已经提到，在生产中，许多设备的能耗都与机组的转速有关，这些设备一般都是根据生产中可能出现的最大负荷条件，如最大流量来进行选择的，但实际生产中所需的流量往往比设计的最大流量小得多，如果所用的电动机是不能调速的，通常只能通过调节阀门的开度来控制流量，其结果是会在阀门上造成很大的能量损耗，如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减少时，电动机的转速降低，消耗的能量将会明显减少。

当风机的转速从n1变为n2时，流量Q、压力H、功率P大致变化关系为：Q2=Q1(n2/n1)、H2=H1(n2/n1)、P2=P1(n2/n1)，由上式可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降1/4，功率下降1/8，即流量需求减少一半时，如通过变频调速，则理论上讲，仅需额定功率的12.5%，即可节约87.5%的能源。

如果不是用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着输出压头的降低，在输出同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可以完全避免，这就是调速节电的原理所在。

简单地说，就是在不装变频调速装置时，风机或水泵的出口排量靠出口阀调节，电机易过负荷，流量小时，靠关小阀门调节，增加了管道阻力，使部分能量白白消耗在出口阀上，安装变频调速器后，可以降低电机的转速，电机的电耗也相应降低，是原来消耗在出口阀上的能量，用变频调速方法得到了解决。

由于采用恒转矩特性，变频降速后的电机转矩不变，拖动力矩恒定，可以保证排量，从而实现了节约电能的作用。

下面讨论风机与水泵变频调速节电原理
风机多为交流异步电机拖动，当电机转速降低时，即可节约能源，经济效益十分明显。

异步电动机的转速公式如下：
式中：
no：异步电动机的同步转速
n：异步电动机转子的转速
p：电动机的磁极对数
s：转差率
因此，改变电动机的磁极对数p、转差率s及电源频率f都可以改变转速。

本文主要研究变频调速的情况。

变频调速是将电网交流电经过变频器变成电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可以在变速的情况下运行。

改变电动机定子频率f可以平滑的调节同步转速no，相应的也改变转子转速n，而转差率s可保持不变或很小，可以使风机与水泵的性能曲线改变，达到调节风机与水泵工况的目的。

但对风机电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电动机堵转；频率减小，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。

因此，在实际应用中，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，
既不使铁芯发热，又保持转矩不变。

二者之所以能够同时同时满足，主要是由于三相异步电动机定子每相电动势的有效值为m N f E Φ=11144.4
式中：
1f ——电动机定子频率，单位为Hz ；
1N ——定子相绕组有效匝数；
m Φ——每极磁通量，单位为Wb
从公式可知，对1E 和1f 进行适当控制即可维持磁通不变。

虽然变频调速技术在生产中得到了很大的推广应用，但是仍存在一些问题。

下面，我会简单地为大家分析一下变频调速的优缺点如下。

变频调速的主要优点是：
（1）可实现平滑的无级调速，且调速精度高，转速（频率）分辩率高。

（2）调速效率高。

变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。

变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。

所以变频调速是一种高效调速方式。

（3）调速范围宽，一般可达10∶1（50～5Hz ）或20∶1（50～2.5Hz ）。

并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率ηV 。

所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。

（4）功率因数高，可以降低变压器和输电线路的容量，减少线损，节省投资。

或在同样的电源容量下，可以多装风机或水泵负载。

（5）变频装置故障时可以退出运行，改由电网直接供电（工频旁路）。

这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。

如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响泵与风机的继续运行；又如在接近额定频率（50Hz ）范围工作时，由变频装置调速的经济性并不高，变频装置可退出运行，由电网直接供电，改用节流等常规的调节方式。

（6）变频装置可以兼作软起动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续平滑加速直致全速运行。

变频软起动是目前最好的软起动方式，变频器是目前最好的软起动设备。

变频调速的主要缺点是：
（1）目前，变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要问题有两个：一个是我国发电厂辅机电动机供电电压高（3～10KV ），而功率开关器件耐压水平
不够，造成电压匹配上的问题；二是高压大功率变频调速装置技术含量高、难度
大，因而投入也高，而一般风机水泵节能改造都要求低投入，高回报，从而造成
经济效益上的问题。

这两个问题是它应用于风机水泵调速节能的主要障碍。

（2）因电流型变频器输出电流的波形和电压型变频器输出电压的波形均为非正弦波形而产生的高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响。

如使电动机附加损耗增加、温升增高，从而使电动机的效率和功率因数下降，出力受到限制，噪声增大以及对无线电通信干扰增大等。

同时，高次谐波会引起电动机转矩产生脉动，其脉动频率为6kf(k=1，2，3…)。

当转矩脉动频率较低并接近装置系统的固有频率时，可能产生共振现象。

因此，装置系统必须注意避免在共振点附近运行。

如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器，其输出波形大为改善，高次谐波大大减少，所以这个问题可以得到大大的改善。

以上只是我自己对风机和水泵采用变频调速节电的简单理解，希望老师不要嫌弃，。