风机水泵的变频调速节能分析
浅析变频调速电机节能技术
击 ，减少 电动机故 障率 ，延长使用奉命 ，同时 也降低 了对 电网的容量 要求和无功损耗 ，因此 为达到节能 目的推广使用变频 器已成为各地节 能工作部 门以及各单位节 能工作的重点。 以某 钢铁厂一号锅炉现有鼓风机和 引风机 各一 台 ，
分别配用 １ ６ ０ ｋ ｗ和１ ８ ５ ｋ Ｗ 电 机 ，风 量 分 别 在
变频 调速 技术 制造 业有 着非常 广 泛的运 缩机。主要原因在于节 电率百分 比相 同的情 况 用 ，因为采用该技术既对产量有着较大 的提 高 下装机容量愈大 ，其绝对节 电量也 愈大。对 风 作用 ，理论上提 高 ５ —１ ０ ％ 转速 是可行的 （ 主 机 、泵 、压 缩机而言 ，对应 电机输入功率 与流 要受电机轴承制约）。也可改善产 品质量 ，随 量 的关系的三次方成正 比，急系统调速前 后的
据悉 ，电机运 行 所消耗 的 电量大 约 占到 全世界用 电量的一半 以上。出于对起动冲击、 过载保护、 系统安全等处于对 电机保护的原因， 高效能的 电动机经常在低功率状态下运行，这 种“ 快马拉慢车”的情况工业生产中十分 常见 。 变频调速就 是通过 改变 电源频率调整 电动机转
着 电机速度的变化 ，在生产加工 中的 电机速度 调 节具有 调速跨度大、调节精度高、响应速度 快 的优点 ，相应的也就提高 了产品的质量 。最 后变 频调速 特别适宜使用于常规 电机功能无法 企 及的场合，由于变频技术 自动化程度高 ，易
速差成 正比，速 差越大 ，节能越显著 。除去机 械 损耗 、 电机 铜 、铁损 等 影响 ，节 能效 率 也 接近 ４ Ｏ ％。 由于采 用变 频器 还 可 以实现 电动 机 的软停止 、软起动 ，避免 了启动时的 电压冲
风机水泵变频调速的节能运行原理
风机水泵变频调速的节能运行原理风机和水泵是典型的变转矩负载。
变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。
风机和水泵的电动机的轴功率P 与其流量（风量）Q ，扬程（压力）H 之间的关系式如下：P ∝Q×H ④当流量由Q 1变化到Q 2时，电动机的转速为N 1、N 2，Q 、H 、P 相对于转速的关系如下：Q 2＝Q 1×（N 2／N 1）H 2＝H 1×（N 2／N 1）2 ⑤ P 2＝P 1×（N 2／N 1）3而电动机的轴功率P 和转矩T 的关系为： T ∝P ／N 因此：T 2＝T 1×（N 2／N 1）2 ⑥由式⑤和式⑥可以看出，风机和水泵的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。
图6（a ）显示出了风机和水泵的扬程（压力）与风量（流量）的关系曲线，图6（b ）显示出转矩与电机速度的关系曲线：从图6中可以看出，在低速时，功率会有很大的下降。
由于风机或水泵运行于额定转速以上是恒功率调速，此时风机和水泵效率很低，机械磨损大，容易损坏电机。
从理论上讲，速度降低10％时会带来30％左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果。
风机水泵在改用变频调速前，要根据实际工况首先取得设备运行的技术参数，进行改造前的一些必要的技术论证，计算是其中最为重要的一个环节，而节能估算又是论证计算中关系到用户是否体现经济效益的重要环节。
在节能方面的计算是无法非常精确的，这是由于实际工况中有许多无法精确预算的影响因素存在。
因此，只能称其为“节能估算”。
节能是指能量形式相互转换过程。
包括能量转换为功的过程中，H 2H 1转矩T 功率P 21转速 100%图6(a)图6(b)努力减少多余的能量消耗，即所谓“所费多于所当费，或所得少于所可得”的那部分能耗，而“当费”与“可得”的那部分是不能被节约的。
对于电力产生的消费来说，“可得”是指发电机应得到的发电效果，“当费”是指用电器（包括电动机）做功的耗效果。
变频调速技术在水泵和风机应用中的节能分析
阀、截止阀等节流设备进行流量 、压力 、水位等信 号的控制 。这样 ，不仅造成大量的能源浪费 ，管
路、阀门等密封性能的破坏 ；还加速 了泵腔、阀体 的磨损和汽蚀 ，严重时损坏设备、影响生产、危及
２１年第３ ００ 期
速 一压力关 系 曲线如 图 １ 示 。 所
河 北 煤 炭
电机 节省 的功耗 为 Ａ、 ｐ。 Ｏ、 、
电机 磁极 对 数） ；通 过改 变 电动 机工 作 电源 频 率达
到改 变 电机转 速的 目的。变频 器就是 基 于上述 原理
１ 综 述
通常 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 。而最 常用 的控制 手段 则是 调节风 门、挡板开 度 的大小来 调整受 控对
河 北 煤 炭
２１年第３ ００ 期
变 调 技 在 泵风 应 中节分 频 速 术 水 和机 用的 能 析
祁 雪来 ，乔矿 生
（ 中能源 井矿集团公司 ，河北 石家庄 冀 ０００ ５ １０）
摘 要 ：主要介 绍 了风机 、泵 类设备利用 变频调速 技术节 能 降耗 的分 析及 应用情况 。
｜ｅ’ 。 ｂ ｜ ｌ ｜ Ｕ
得 出 。其 中 ， 尸 ｐ、 Ｈ 、 、
统压力 升高到 鼠 ，这将对管路和阀门的密封性 能形 成 威 胁 和破 坏 ；而转 速 调节 时 ，系 统压 力 只 将 随泵 转 速 刀的降低 到 鼠 ，因 此 ，不 会 对 系 统 产 生不 良影响 。与此相 类似 的 ，如 果 采用变 频调 速技 术改变 泵类 、风机类设 备转 速来 控 制现 场压力 、温 度 、水位等其它过程控制参量 ，同样可以依据系统 控制特 性绘制 出关 系 曲线得 出上 述 的 比较 结果 。亦
风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(五) 第一讲 风机变频调速节能技术(5)
隙。 由泵 轮的 内腔Ｐ 涡轮 的 内腔Ｔ 和
共 同 形 成 的 圆 环 状 空 腔 称 为 工 作
求、提高产品质量 、增 加生 产效率、
ＴＨＥ ＷＯＲＬ ＯＦＩ Ｄ ＮＶＥＲＴ ＥＲＳ １１ ７
——————１
同 ，故称 此 轮 为涡 轮 。 涡轮 的输 出轴 又 与 风机 或 水 泵 相 联 接 ，因此 输 出轴
机 水 泵旋 转 。这 样 就 实 现 了 电动 机 轴 功率的柔性传递 。
只 要 改 变 工 作 腔 内 工 作 油 的 充 满 度 ，即 改 变循 环 圆 内的 循环 油量 ，就
液力耦合器在工作时 ，其转速 比一般在０ ～０９ 之内 ，当其小于０ 时 ，由 ． ．８ ４ ． ４
于转 速 Ｌｄ ，工作 腔 内 充 油量 少 ，工 作 油 升 温很 快 ，工作 腔 内气 体 量 大 ，这 时 Ｌｘ
１ 液 力耦合器的工作原理和 旋转 ，对工作油做功 ，使油获得 能量 （ 转 动 能 ） 同 时 高 速 旋 转 的 工作 油 旋 。 主 要 特性 参数
１１液力耦合器的工作原理 ．
液 力耦 合 器 是一 种 以 液体 （ 多数 为 油） 为工 作介 质 、 利 用液 体动 能 传 递能 量 的一 种 叶片 式 传 动机 械 。 按应 用场 合 不 同 可 分 为普 通 型 （ 准 型 或 离 合 标
调 速 型 ，这 里 讨 论 的仅 限于 调 速 型 。
调 速 型 液 力耦 合 器 主要 由 泵 轮 、
涡 轮 、旋 转 外 套 和 勺管 组 成 ，泵 轮 和 涡 轮 均 为 具 有 径 向 叶轮 的工 作 轮 ，泵 轮 与 主 动 轴 固 定连 接 ，涡 轮 与 从 动 轴 固定 连 接 ：主 动轴 与 电动 机 连 接 ，而
探讨变频调速技术在水泵节能中的应用
低 压 通 用 变 频 输 出 电 压 为 ３０ ～ ６ ０ ８ ５ Ｖ， 输 出 功 率 为 ０７ ．５～４ ０ Ｗ， ０ ｋ 工作 频率为 ０～４０ ｚ 它的主 电路都采用交一直一 ０Ｈ ， 交电路 。变 频器对 电动机控 制是根 据 电动机的特性 参数及 电动机 运行要求 ，通过对 电动机 电压 、电流 、频率 进行控 制达 到满足 负 载的要求。 目前变频器对 电动机的控制方式大体可分为 Ｕｆ ／ 恒定控 制、 转差频 率控 制 、 量控制 、直接转矩控制 、非线性控制 。 矢
苣业研 夯
搽 讨 变 频 调 速 技 市 在 水 泵 节 鹾 巾的 应 用
刘玉彬 ／ 山市曹妃 句供水有限责任公 司 唐
［ 摘 要 ］本 文针对 变频调速在水 泵节能方面谈一些浅显的看法 ，仅供 同行参考 。 ［关键词 ］变频调速 水泵节能 特征 曲线 应用
变频调速 在泵与 风机 的节 能方面应 用广泛 ，但在实 际应用 中 １ 频调 速 与水 泵节 能 变 往往 南于对影 响其节能效 果 的因素考虑 不周 ，导 致选择 与使用存 水泵节 能离不 开工况 点的合 理调节 。其 调节方 式不外 乎以下 在着较 大的盲 目性 ，影 响其节能 效益 的发挥 。以水泵 为例 ，针对 两种 ： 路特性曲线的调节 ，如关阀调节 ；水泵特性曲线 的调节 ， 管 影响其调速范围 、 节能效果 的一 些主要因素 ， 进行 了分析 和探讨 ， 如水泵 调速 、叶轮切 削等 。在 节能效 果方 面 ，改变水 泵性 能曲线 在此基础上指出了变频调速的适用范 围。 的方法 ，比改 变管路 特性 曲线要显 著得 多。因此 ，改变水泵 性能
以此来 调节水 泵 。如果压 力值仍 达不 到要求 ， Ｌ Ｐ Ｃ和变频器 相互 配合 ，投 入多 台水泵运行 。在 目前 ，在众 多的 Ｐ Ｃ程序 编写时 ， Ｌ 般有 两种编 写方式 以控制 水泵 电机的运 行方式 ：第一种 方式为 首先投 入运行 的水泵 继续变 频运行 ，而后投 入的水 泵直接 切换 到 工频运行 ，按照此种方式依次投入多 台；另外一种方式与此相反 ， 将 首先运 行 的水 泵通过 Ｐ Ｃ与 变频器 断开 ，并将其 直接投人 到系 Ｌ 统 中，即切换 到工频 使用 ，相应 地 ，Ｐ Ｃ控制继 电器将 第二 台水 Ｌ 泵与变频器连接 ，变频器重新开始工作 ，由低到高进行频率调节 ， 即控制 电机转 速 ，直 至满足 需求 。当然 ，可根 据不 同的变频器 生 产产家所 提供 的变频 器性能 ，选用不 同 的控 制方法 。根据第二 种 ＰＣ Ｌ 控制方式 ， 同时 ， 照程序流程图 ， 对 详细介绍系统的运行过程。 在用水量不 大的时候 ，“ 号泵” 在变频器控制 下工 作。当用 １ 水 量增大 ，变频器进行 调节 ，当 “ 号泵 ”已经达 到额定 频率而水 １ 压仍然不足时 ，经过短暂 的延 时后 ，将 “ 号泵 ”投人到工频运行。 １ 与此 同时 ，变频 器 的输 出频 率被置 为零 ，然 后将 “ 号泵 ” 投 人 ２ 到变频运行。如果 “ 号泵 ” 也达 到额定频 率而水压仍然不中时 ， ２ 控 制器会做 “ ２号泵”切换 到工频工作 ，紧接着将 “ ３号泵 ”投入 到变频运行 ，依 次类推 。如果用水量减少时 ，则遵循 “ 先人先出” 的原则 ，即先运 行 的工频泵 先停 止。先从 “ 号 泵” 开始 ，依 次 １ 退 出工作 ，完成一次加减泵 的循环 。如图 ４所示 。
风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(六) 第二讲 水泵变频调速节能技术(1)
（） 率 ：水 泵 的输 出功 率 （ 效 功率 ）ｕ ４效 有 Ｐ 与输 入功 率 （ 轴
功 率 ）之 比 ，称 为 水 泵 的效 率 或 全效 率 ，以ｎ 表 示 ： Ｐ
Ｔ ＯＲＬ ＮＶＥＲＴ ＨＥ Ｗ Ｄ ＯＦ Ｉ ＥＲＳ １ ３ ３
— — ～——］
， ： ７
霸 器勇 年 ＿ 瞬略 ６
风机 水 泵 压 缩机 变频调 速 节能 技 术讲 座 （ 六）
第 二 讲 ： 变频 调 速 节能 技 术 （） 水泵 １
国家 电力公 司热 工研 究院 自动化 所
徐 甫荣
（ 上期） 接
ｌ 概 论
风 机 与 水 泵 是 用 于 输 送 流 体 （ 体 和 液 体 ） 机 械 设 气
式 中 ：Ｑ — 水 泵流 量 （ ／） — ｍ ： ｓ Ｈ— — 水 泵 扬程 （ Ｐ ｇ ； ｉ ＝ Ｈ） ｎ， 厂＿ ７ 传 动 装 置效 率 ：
泵 ，往 复 泵 可 分 为 活塞 泵 、 柱 塞 泵和 隔膜 泵 ，而 回转 泵 又 可 分 为 齿 轮 泵 、螺 杆 泵 、滑 片泵 和 液 环 泵 。
： —
ｐ ｎＯ ｇ
—
一
簇 梳 状 曲线 不 同 ，其 出 口压 力 （ 程 ） 着 流量 的增 加而 扬 随
Ｐ
１ ０ Ｐ ００
单 调 下 降 ，零 流量 时 的扬 程 称 为 关 死 点扬 程 。水 泵 的 静扬 程 （ ｓ 一 般 都不 为零 ，图２２ Ｈｔ ） —所示 为静 扬程 占到 关死 点 扬程
式 中 ：Ｚ２ ｐ 、 ２ ｚ１ Ｐ 、 分 别 为 泵 的 出 口截 面 、２ ｖ 与 、 １ Ｖ１
２ 进 口截 面 １ 和 的位 置 高 度 、 压 力 和速 度值 。泵 的 扬 程 即 为 泵 所 产 生 的总 水 头 ，其 值 等 于 泵 的 出 口总 水 头 和 进 口总水 头 的代 数 差 。
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。
风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座(二) 第一讲 风机变频调速节能技术(二)
Ｈ 程 扬
式 （ 一式 （ 为 工 程 实 际 中 ４） ６）
应 用 的相 似 定 律 ，但 它 们 应 用 于 Ｄ２ （ ） ２ ） 或ｎ（ ） ’ 低 ） １ 大 ／ （ ≥３ ２ ／ ２ ≥ ． Ｄ’ 小 高 ｎ （ ２ 时 存 在 一 定 误 差 。对 于 同 一 台 风 机 （ 泵） 水 ，当 输 送 的 流 体 密 度 ｐ 不 变 而 仅 转 速 变化 时 ，性 能 参 数 的 变 化 关 系 式 可 由 式 （ ～式 （ 简 化 得 出 ： ４） ６）
风机水泵 压缩机 变频调速 节能技术讲座 （ 二）
第一讲 风机 变频调速节能技术 （ 二）
国家 电力公 司热 工研 究院 自动化 所
徐甫 荣
（ 上期 ） 接
二 ．风机变频调速节 能分析
ｌ 风机 （ 水泵）的几何相 似 ， 运 动 相似 和 动 力相 似
两 台风 机 （ 泵 ） 几 何相 似 ， 水 若 就 是 说 它们 的形 状 完全 相 同 ，只 是 大 小 不 同 ， 其 中 一 台 风 机 （ 泵 ） 当 水 相
功率之 间的相 互关系为 ：
ｑ／ ＝ ｖｑ，
ｖ
（ｔ 。 ｎ ’ ｒｖｌ （ Ｄ Ｄ７ －／ －ｌ ｒ’１ ２ ｎ ） ） ／
ｎｈ ｈ ｎ’ ／ （） ２
Ｈ／ ’ （ ／ ’ ・ ｎ ｎ’ Ｈ ＝ Ｄ，Ｄ ） （／ ） －
ｐ ’（Ｉ － ／’ ・ ｐ’ ／ ＝Ｄ Ｄ’ （ｎ） Ｏ／ Leabharlann ｐ ） ｎ （ａ ５）
Ｐ Ｐ （ Ｄ ’） ・ ｎ ｎ’ － ／ Ｄ２ ２ （ ／ ） ／
ＴＨＥ Ｗ ＯＲＬ ＮＶＥＲＴＥＲＳ １ Ｄ ＯＦ Ｉ ３ １
Ｐ ＰＪ （ ／ ，５ ・ ｎ ｎ’ ／ ＿ Ｄ，Ｄ’） （ ／ ） ｐ／ ・ ’ （） ６
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风机水泵的变频调速节能分析
节能降耗、增加效益是全社会应为之努力的方向。
我国的电动机用电量占全国发电量
的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。
应用于风机、水泵等设备的传统方法是通过调节出口或入口的挡板、阀门开度来控制给风量和给水量，其输出功
率大量消耗在挡板、阀门地截流过程中。
另外，由于在通常的设计中为了满足峰值需求，
水泵选型的裕量往往过大，也造成了不应有的浪费。
根据风机、水泵类的转矩特性，采用
变频调速器来调节流量、风量，将大大节约电能。
下面就分析一下在风机水泵类负载中使
用变频器所能达到的效果。
一，通过变频调速达到的一次节能。
下面以水泵为例来说明，由图1可以看到：
流量Q正比于转速n
压力H正比于n2
转矩T正比于n2
功率P正比于n3
图1 水泵流量、压力、功率曲线…
在普通的水泵流量控制中使用阀门来调节，如图2所示：
图2 阀门控制水泵流量
管道阻力h与流量Q的关系为h正比于RQ2，其中R为阻力系数
电机在恒速运行时，流量为100%情况下（工作点为A），水泵轴功率相当于Q1AH1O
所包容的面积。
电机在恒速运行时，采取调节阀门的办法获得70%的流量（工作点为B），将导致
管阻增大，水泵轴功率相当于Q2BH2O所包容的面积，所以轴功率下降不大。
采用变频调速控制流量时，由于管道特性没有改变，水泵特性发生变化（工作点为C），轴功率与Q2CH3O所包容的面积成正比。
故其节能量与CBH2H3所包容的面积成正比，
输入功率大大减小。
如图3所示：
图3 变频调节水泵流量
正如前面提到的，轴功率P与转速n的三次方成正比。
采用变频器进行调速，当流量
下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果流量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效
率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。
二，变频调速所实现的二次节能
变频调速自动根据负载情况调整输出电压，通过对电机的最佳励磁，有效地降低了无
功损耗，提高系统功率因数，降低电机工作噪音, 延长电机使用寿命。
电动机的总电流(IS)为电机励磁电流(IM)与电机力矩电流(IT)的矢量和, IS和IM夹角的余弦值即为电动机的功率因数;
电机励磁电流决定于加在电机线圈上的电压, 在工频状态下, 交流电压为380V恒定不变, 因此励磁电流也不会改变;
在变频状态下, 变频器自动检测负载力矩, 根据实际负载决定输出电压, 因此在负载较低的时候自动降低输出电压, 以维持最高的功率因数.
由于变频器自动降低了电机励磁电流, 使得输出总电流明显低于工频工作的总电流, 节约了线路中的损耗和无功功率的损失;
这个功能在丹佛斯VLT系列变频器中称为AEO功能(Automatic Energy Optimization, 自动节能功能).
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