论文部分内容阅读
摘要：变频调速技术作为一种通过调节电机频率来达到节能目的的技术越来越多地被企业所青睐，通过变频调速来降低设备使用的功率，从而降低设备的耗能，具有效率高、精度高、易操作的特点。本文通过介绍变频调速技术在风机、泵类设备中的应用来分析该技术的节能效果，以期进一步推广该技术。
关键词：变频调速;节能;风机;泵
传统的风机、泵类设备，电能消耗很大，而且只能以定速方式运行，不仅功耗较大，效率也较低。如今，随着我国社会的发展，科技的进步，我国自80年代初发展了变频调速技术，制造了一个又一个全新的智能电机，这种智能电机具有先进的调速性能，节约电力，使用寿命长等优点，不仅解决了电能消耗大的问题，而且可使系统高效无压力的运行。目前，这种智能电机在很多领域得到了有效的使用，变频调速技术也成为了现代电力传动技术的主要发展方向之一。
1风机、泵类控制设备现状
风机、泵类设备运行控制设计简单，应用领域广泛，例如铁路的动力设备大多采用的就是风机、泵类。然而，风机、泵类控制设备面临的巨大挑战之一是电能的浪费。大多数情况下，风机的流量设计是以对最大风量的需求进行设计的，水泵的流量设计也是按对最大流量的需求进行设计的，对于风机的调整方式常常采用风门、回流等方式进行控制，不能形成一个闭环;对于水泵的调控主要通过调整阀门的大小，以及对电机的开关等方式。一些生产厂家为了保证产品的可靠性，在对风机、泵类设备配载动力驱动时，还留有裕量，例鼓风机，排风机，流风机，离心泵等。所以，很多顾客所使用的电机虽大部分时间是在额定功率下运行的，但其不能在任何情况下进行满负荷的运行。如此一来，这些电机设备除达到对动力驱动的需求外，还会消耗多余的力矩，这些力矩也是有功功率的消耗，从而浪费了大量的电能。与此同时，有些生产工艺在产品的生产过程中，需要不断的改变设备的风量或流量，工作原理其实就是给机器施加阻力，以达到调节风速与流量的目的，而这种调节的方式及其消耗电能。在对于电气的控制方面，传统的方式是设置启动装置，直接启动。这种直接启动的方式，目的是为了降低对电网的冲击，而不能调控风机、泵类的转速，因此这种方式对于节能并没有太大作用，相反，还会加大对设备的机械冲击，减少设备的使用寿命。然而目前，电动机的使用还是主流，电动机在铁路动力的提供上占60%-70%，甚至更高，因此，研究风机、泵类设备的节能问题任重而道远，意义重大。
2变频器的结构和基本工作原理
变频调速器是一种通过改变电机频率和电压的自动化装置，简称变频器，具有耐用性、高精度、多功能的特点，传统的风门、阀门、挡板逐渐被变频调速器所取代。变频器的组成部分主要包括IGB7r模块、集成电路板、开关、电容、电阻、CPU等零件。变频器采用电源变换技术将电力电子和计算机技术融合在一起形成综合性的电气设备。变频调速器通过调节电机的转速和电源输入的频率来控制电机的功率，通过电机电源频率的改变来实现电机转速的改变。变频调速器就是通过改变输入频率、电机磁极对数、电机转差率等变量来达到控制电机转速的目的。
2.1电动机调速与节能的关系
作为非固定型的设备，风机和水泵等流体机械的性质决定了其转速变化与流量、压力和功率之间存在一定的运算和逻辑关系，其中流量与转速成一次方正比关系，压力与转速成二次方正比关系，功率与转速成三次方正比关系，也就是说，转速的降低可以减少流量，从而节约能量，而最终所消耗的功率也会降低。转速与流量之间的相互关系，可以决定其功率的大小，例如转速下降20%时，则流量也相应减少20%，最终的轴功率将会下降到额定功率的（1-20%）?;若流量下降60%，则转速也会相应地下降60%，此时轴功率就会降低到额定功率的（1-60%）?。
由上可以得出，至少有两种方式可以调节风机和水泵的流量，首先在电机的转速不变的前提下，可以调节风阀等来控制流量，以此来改变风阀的开度，使管道内的特性发生变化来增大管道内的阻力。另一种是保持风阀开度不变，管道内特性不变、阻力不变，调节电机的转速来控制和调节设备的流量来降低轴功率的消耗。因此，调速在风机和水泵等流体机械设备中的运用在节能方面发挥着非常关键的作用。企业生产股衡中风机和水泵等类似的机械比较多，通过控制其中的变量可以将耗能大的设备降低其生产过程中的耗能，降低企业的经营成本，且此类设备内附潜能巨大的节能特点，值得各生产企业的大力推广和应用。
2.2电机在不同频率下运行的节电效果
电机在不同频率下降比下的节电率对比如下：
计算公式为：节电率=1-（1-频率下降比）?，频率下降比为10%、15%、20%、25%、30%时，节电率分别为27.10%、38.60%、48.80%、57.80%、65.70%。由以上計算可以得出，倘若电机的运行频率保持在30%的下降率，从长期的负载来看没有扩张趋势，成本和效益上来说更换电机系统更加合理经济。
3节能计算
一般常用的会有两种计算方式来计算变频调速技术用在风机、泵类设备上的节能效果：
第一种是基于在不同控制方法下，按照风机和泵类设备在流量和负载的关系与实际产生的负荷之间的关系来计算。以离心泵为例，假设离心泵的额定流量是200m?/h，扬程50m;配套使用的电动机额定功率是45kw，则根据实际需要，假设水泵24小时不间断运行，其中11小时产生90%的负荷，其余时间产生50%负荷，按照一年300个工作日来计算每年的节电量如下：节省电量=45×300×（11×（100%-69%）+13×（95%-20%））=177660kW/H，按照0.6元每度电的价格来计算，每年累计可节省约106.6kRMB。
第二种是基于风机和泵类设备在变频调速下产生的负载关系来计算节约的能源，二者的关系为P/P0=（n/n0）?，额定转速n0控制下产生的功率为P0，实际转速n控制下产生的功率为P。以功率为20kW的工业鼓风机为例，假设鼓风机是24小时不间断运行，其中10小时产生90%的负荷（46Hz的频率，挡板调节时造成98%电机功耗），其余14小时产生50%负荷（20Hz的频率，挡板调节时造成70%电机功耗）。
最终可以节省的电量W=Wb-Wd=101092.992-29040=72052.992kW/H，按照0.6元每度电的价格来计算，使用变频调速技术企业每年可节约电费约43kRMB。
4.结束语
综上所述，变频调速技术不仅可以协助企业达到节能效益，还可以带来可观的经济收益。作为一项节能技术，变频调速技术运用在风机和泵类等设备中需要我国政府和企业大力推广及使用，不仅是因为其能够节约能源和资源，更是因为其作为一项先进的技术能够有效地提高企业的生产力，提升设备的效率和良率，在生产工艺得到满足的同时可以降低设备维护维修成本，提高单位产能，从而提高企业的生产经营能力和企业效益，是一种值得广泛用于各个行业的技术。
参考文献：
[1]张选正，张金远.变频器应用经验.中国电力出版社，2007（4）.
[2]李方园.基于变频控制的离心脱水机控制系统.机械工业出版社，2003（5）.
[3]姚潇雨.几种泵类/风机控制方案浅析.变频器世界，2011（6）.
作者简介：张晓东（1991.11—），男，汉族，籍贯：内蒙古自治区呼和浩特市，本科，助理工程师，研究方向：热能与动力工程。
关键词：变频调速;节能;风机;泵
传统的风机、泵类设备，电能消耗很大，而且只能以定速方式运行，不仅功耗较大，效率也较低。如今，随着我国社会的发展，科技的进步，我国自80年代初发展了变频调速技术，制造了一个又一个全新的智能电机，这种智能电机具有先进的调速性能，节约电力，使用寿命长等优点，不仅解决了电能消耗大的问题，而且可使系统高效无压力的运行。目前，这种智能电机在很多领域得到了有效的使用，变频调速技术也成为了现代电力传动技术的主要发展方向之一。
1风机、泵类控制设备现状
风机、泵类设备运行控制设计简单，应用领域广泛，例如铁路的动力设备大多采用的就是风机、泵类。然而，风机、泵类控制设备面临的巨大挑战之一是电能的浪费。大多数情况下，风机的流量设计是以对最大风量的需求进行设计的，水泵的流量设计也是按对最大流量的需求进行设计的，对于风机的调整方式常常采用风门、回流等方式进行控制，不能形成一个闭环;对于水泵的调控主要通过调整阀门的大小，以及对电机的开关等方式。一些生产厂家为了保证产品的可靠性，在对风机、泵类设备配载动力驱动时，还留有裕量，例鼓风机，排风机，流风机，离心泵等。所以，很多顾客所使用的电机虽大部分时间是在额定功率下运行的，但其不能在任何情况下进行满负荷的运行。如此一来，这些电机设备除达到对动力驱动的需求外，还会消耗多余的力矩，这些力矩也是有功功率的消耗，从而浪费了大量的电能。与此同时，有些生产工艺在产品的生产过程中，需要不断的改变设备的风量或流量，工作原理其实就是给机器施加阻力，以达到调节风速与流量的目的，而这种调节的方式及其消耗电能。在对于电气的控制方面，传统的方式是设置启动装置，直接启动。这种直接启动的方式，目的是为了降低对电网的冲击，而不能调控风机、泵类的转速，因此这种方式对于节能并没有太大作用，相反，还会加大对设备的机械冲击，减少设备的使用寿命。然而目前，电动机的使用还是主流，电动机在铁路动力的提供上占60%-70%，甚至更高，因此，研究风机、泵类设备的节能问题任重而道远，意义重大。
2变频器的结构和基本工作原理
变频调速器是一种通过改变电机频率和电压的自动化装置，简称变频器，具有耐用性、高精度、多功能的特点，传统的风门、阀门、挡板逐渐被变频调速器所取代。变频器的组成部分主要包括IGB7r模块、集成电路板、开关、电容、电阻、CPU等零件。变频器采用电源变换技术将电力电子和计算机技术融合在一起形成综合性的电气设备。变频调速器通过调节电机的转速和电源输入的频率来控制电机的功率，通过电机电源频率的改变来实现电机转速的改变。变频调速器就是通过改变输入频率、电机磁极对数、电机转差率等变量来达到控制电机转速的目的。
2.1电动机调速与节能的关系
作为非固定型的设备，风机和水泵等流体机械的性质决定了其转速变化与流量、压力和功率之间存在一定的运算和逻辑关系，其中流量与转速成一次方正比关系，压力与转速成二次方正比关系，功率与转速成三次方正比关系，也就是说，转速的降低可以减少流量，从而节约能量，而最终所消耗的功率也会降低。转速与流量之间的相互关系，可以决定其功率的大小，例如转速下降20%时，则流量也相应减少20%，最终的轴功率将会下降到额定功率的（1-20%）?;若流量下降60%，则转速也会相应地下降60%，此时轴功率就会降低到额定功率的（1-60%）?。
由上可以得出，至少有两种方式可以调节风机和水泵的流量，首先在电机的转速不变的前提下，可以调节风阀等来控制流量，以此来改变风阀的开度，使管道内的特性发生变化来增大管道内的阻力。另一种是保持风阀开度不变，管道内特性不变、阻力不变，调节电机的转速来控制和调节设备的流量来降低轴功率的消耗。因此，调速在风机和水泵等流体机械设备中的运用在节能方面发挥着非常关键的作用。企业生产股衡中风机和水泵等类似的机械比较多，通过控制其中的变量可以将耗能大的设备降低其生产过程中的耗能，降低企业的经营成本，且此类设备内附潜能巨大的节能特点，值得各生产企业的大力推广和应用。
2.2电机在不同频率下运行的节电效果
电机在不同频率下降比下的节电率对比如下：
计算公式为：节电率=1-（1-频率下降比）?，频率下降比为10%、15%、20%、25%、30%时，节电率分别为27.10%、38.60%、48.80%、57.80%、65.70%。由以上計算可以得出，倘若电机的运行频率保持在30%的下降率，从长期的负载来看没有扩张趋势，成本和效益上来说更换电机系统更加合理经济。
3节能计算
一般常用的会有两种计算方式来计算变频调速技术用在风机、泵类设备上的节能效果：
第一种是基于在不同控制方法下，按照风机和泵类设备在流量和负载的关系与实际产生的负荷之间的关系来计算。以离心泵为例，假设离心泵的额定流量是200m?/h，扬程50m;配套使用的电动机额定功率是45kw，则根据实际需要，假设水泵24小时不间断运行，其中11小时产生90%的负荷，其余时间产生50%负荷，按照一年300个工作日来计算每年的节电量如下：节省电量=45×300×（11×（100%-69%）+13×（95%-20%））=177660kW/H，按照0.6元每度电的价格来计算，每年累计可节省约106.6kRMB。
第二种是基于风机和泵类设备在变频调速下产生的负载关系来计算节约的能源，二者的关系为P/P0=（n/n0）?，额定转速n0控制下产生的功率为P0，实际转速n控制下产生的功率为P。以功率为20kW的工业鼓风机为例，假设鼓风机是24小时不间断运行，其中10小时产生90%的负荷（46Hz的频率，挡板调节时造成98%电机功耗），其余14小时产生50%负荷（20Hz的频率，挡板调节时造成70%电机功耗）。
最终可以节省的电量W=Wb-Wd=101092.992-29040=72052.992kW/H，按照0.6元每度电的价格来计算，使用变频调速技术企业每年可节约电费约43kRMB。
4.结束语
综上所述，变频调速技术不仅可以协助企业达到节能效益，还可以带来可观的经济收益。作为一项节能技术，变频调速技术运用在风机和泵类等设备中需要我国政府和企业大力推广及使用，不仅是因为其能够节约能源和资源，更是因为其作为一项先进的技术能够有效地提高企业的生产力，提升设备的效率和良率，在生产工艺得到满足的同时可以降低设备维护维修成本，提高单位产能，从而提高企业的生产经营能力和企业效益，是一种值得广泛用于各个行业的技术。
参考文献：
[1]张选正，张金远.变频器应用经验.中国电力出版社，2007（4）.
[2]李方园.基于变频控制的离心脱水机控制系统.机械工业出版社，2003（5）.
[3]姚潇雨.几种泵类/风机控制方案浅析.变频器世界，2011（6）.
作者简介：张晓东（1991.11—），男，汉族，籍贯：内蒙古自治区呼和浩特市，本科，助理工程师，研究方向：热能与动力工程。