摘要:隨著變頻技術(shù)的不斷完善、發(fā)展，變頻調(diào)速性能日趨完美。變頻技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的交流調(diào)速。本文通過分析變頻器在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻節(jié)能原理和分析變頻技術(shù)改造的優(yōu)點(diǎn)等方面，探討了變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:風(fēng)機(jī) 水泵 變頻技術(shù)

0 引言

在我國(guó)各行業(yè)的機(jī)械設(shè)備中與風(fēng)機(jī)、水泵配套的電機(jī)約占全國(guó)電機(jī)裝機(jī)量的60%，耗用電能約占全國(guó)發(fā)電總量的三分之一，大多數(shù)風(fēng)機(jī)、水泵在使用過程中都存在大馬拉小車的現(xiàn)象。目前，許多單位仍然采用調(diào)節(jié)檔風(fēng)板或閥門開啟度的方式來調(diào)節(jié)氣體或液體的流量、壓力等，這實(shí)際上是通過人為增加阻力的方式，并以浪費(fèi)電能和金錢為代價(jià)來滿足生產(chǎn)工藝的要求。這種調(diào)節(jié)方式，不僅浪費(fèi)了寶貴的能源，而且調(diào)節(jié)精度差，很難滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。隨著變頻技術(shù)的不斷完善、發(fā)展，變頻調(diào)速性能日趨完美，變頻技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的交流調(diào)速。

1 變頻技術(shù)

變頻技術(shù)是一種電子技術(shù)。變頻器是在變頻技術(shù)上產(chǎn)生的，它能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的升、降和變速運(yùn)行。變頻器經(jīng)常被用于系統(tǒng)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、高負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的工況中。由于采用了通訊方式，可以通過PC機(jī)來方便地進(jìn)行組態(tài)和系統(tǒng)維護(hù)，包括上傳、下載、復(fù)制、監(jiān)控、參數(shù)讀寫等。簡(jiǎn)單來講變頻器是由三繞組輸人變壓器、整流電路、合成母線、逆變電路、合成濾波電路、控制柜等組成。

2 變頻器在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

如圖1為變頻器控制風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)框圖。

風(fēng)壓設(shè)定通過變頻器的輸人端子設(shè)定;壓力傳感器將壓力信號(hào)傳送給變頻器;變頻器通過預(yù)編程序進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)應(yīng)不同壓力輸出控制信號(hào)，從而控制電動(dòng)機(jī)使風(fēng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)壓，風(fēng)壓通過風(fēng)壓傳感器將信號(hào)傳送給變頻器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

在變頻狀態(tài)下，應(yīng)用變頻器改變風(fēng)機(jī)電機(jī)輸入電壓的頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用下面公式表示:

n為轉(zhuǎn)速、f為頻率、p為電機(jī)級(jí)數(shù)(2、4、6...)

風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)動(dòng)是利用改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)機(jī)曲線這種變化關(guān)系可以用一組公式來表達(dá):

Q2 /Q1=n2 /n1(1)

P2 /P1=(n2 /n1)2 (2)

N2/N1=(n2 /n1)3 (3)

式中，n-風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Q-風(fēng)量;P-風(fēng)壓;N-功率。值得注意的是:將風(fēng)量公式(1)與(2)相結(jié)合，其結(jié)果恰好符合系統(tǒng)曲線公式:

P=KQ2(4)

因?yàn)?P2=P1(n2 /n1)2

Q2 /Q1=n2 /n1(Q2 /Q1)2=(n2 /n1)2(5)

將(5)式代入(2)式，可得P2=P1(Q2 /Q1)2

即:P2=(P1/Q12)Q22(6)

一般使用的風(fēng)機(jī)，其選用風(fēng)量、風(fēng)壓通常都超過實(shí)際需要。(風(fēng)量裕量5%-15%，壓力裕量為10%-30%)，傳統(tǒng)控制裕量方法大多采用擋板式閥門來調(diào)節(jié)，用這些方法節(jié)流。雖然方法簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是通過人為增加阻力的辦法來達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。不僅造成了浪費(fèi)，還增加了噪音污染。

3 變頻節(jié)能原理

3.1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線

采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，屬于減少空氣動(dòng)力的節(jié)電方法，它和一般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)門控制風(fēng)量的方法比較，具有明顯的節(jié)電效果。

由圖可以說明其節(jié)電原理:

圖中，曲線(1)為風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n1下的風(fēng)壓一風(fēng)量(H-Q)特性，曲線(2)為管網(wǎng)風(fēng)阻特性(風(fēng)門全開)。曲線(4)為變頻運(yùn)行特性(風(fēng)門全開)

假設(shè)風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)效率最高，此時(shí)風(fēng)壓為H2，風(fēng)量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH2OQ1表示。如果生產(chǎn)工藝要求，風(fēng)量需要從Q1減至Q2，這時(shí)用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線(3)，系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行。從圖中看出，風(fēng)壓反而增加，軸功率與面積BH1OQ2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速n2風(fēng)量(Q-H)特性，如曲線(4)所示?？梢娫跐M足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH3OQ2表示。節(jié)省的功率△N=(H1-H3)×Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效果是十分明顯的。

由流體力學(xué)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率N與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)風(fēng)量下降到80%時(shí)，轉(zhuǎn)速也下降到80%，而軸功率N將下降到額定功率的51.2%，如果風(fēng)量下降到60%，軸功率N可下降到額定功率的21.6%，當(dāng)然還需要考慮由于轉(zhuǎn)速降低會(huì)引起的效率降低及附加控制裝置的效率影響等.即使這樣，這個(gè)節(jié)能數(shù)字也是很可觀的，因此在裝有風(fēng)機(jī)水泵的機(jī)械中，采用轉(zhuǎn)速控制方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，在節(jié)能上是個(gè)有效的方法。

3.2 同理，水泵的節(jié)能原理由下圖說明:

節(jié)能效果明顯，與水泵連續(xù)運(yùn)行相比較，節(jié)省水泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失。當(dāng)水泵流量為Qc時(shí)，若水泵在連續(xù)運(yùn)行，則工作點(diǎn)再B點(diǎn)，是靠調(diào)節(jié)閥關(guān)小而實(shí)現(xiàn)的，因而有節(jié)流損失。采用變頻調(diào)速定壓，在滿足水泵流量Qc的前提下，由于水泵轉(zhuǎn)速有n1下降為n2，則工作電位C點(diǎn)，因而水泵節(jié)約電耗可由面積H2BCH1表示。如圖一所示。

與水泵間歇運(yùn)行相比較，如圖二所示。間歇運(yùn)行水泵在定轉(zhuǎn)速n2下運(yùn)行，將水壓P1打到P2。P1是下限，保證下限壓力就可以保證正常供水，很明顯P2-P1=△P的壓力是電動(dòng)機(jī)作了無用功，存在著浪費(fèi)。而變頻調(diào)速運(yùn)行的水泵電動(dòng)機(jī)是以保證下限壓力P1為目的，轉(zhuǎn)數(shù)在n1左右即n(1-1)～n(1+1)之間變化。變頻調(diào)速定壓與間歇運(yùn)行控制壓力相比，變頻調(diào)速定壓節(jié)電為△P·Q1。

3.3 風(fēng)機(jī)、水泵在不同頻率下的節(jié)能率 風(fēng)機(jī)是傳送氣體的機(jī)械設(shè)備，水泵是傳送液體的機(jī)械設(shè)備，二者都是將電動(dòng)機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的機(jī)械能的一種機(jī)械，二者的工作原理基本相同。

從流體力學(xué)原理得知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量及水泵水流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速功率相關(guān):風(fēng)機(jī)水泵的風(fēng)量(流量)與風(fēng)機(jī)水泵(電機(jī))的轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、水泵的揚(yáng)程與風(fēng)機(jī)水泵(電機(jī))的轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機(jī)水泵的軸功率等于風(fēng)量與風(fēng)壓、流量與揚(yáng)程的乘積，故風(fēng)機(jī)水泵的軸功率與風(fēng)機(jī)水泵(電機(jī))的轉(zhuǎn)速的二次方成正比(即風(fēng)機(jī)水泵的軸功率與供電頻率的二次方成正比):

根據(jù)上述原理可知改變風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機(jī)水泵的功率。

例如:將供電頻率由50Hz降為45Hz，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50

將供電頻率由50 Hz降為40Hz，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50

4 變頻技術(shù)改造的優(yōu)點(diǎn)

4.1 控制電機(jī)的啟動(dòng)電流。電機(jī)工頻直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流是電機(jī)額定電流的4-7倍。這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而變頻調(diào)速則可以在零速零電壓?jiǎn)?dòng)(當(dāng)然可以適當(dāng)加轉(zhuǎn)矩提升)。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照WF或矢量控制方式帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低電機(jī)的啟動(dòng)電流，提高繞組承受力，降低電機(jī)的維護(hù)成本，電機(jī)的壽命則相應(yīng)增加。

4.2 降低電力線路電壓波動(dòng)。在電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，電流劇增的同時(shí)，電壓也會(huì)大幅度波動(dòng)，電壓下降的幅度將取決于啟動(dòng)電機(jī)的功率大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會(huì)導(dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常，如咒機(jī)、傳感器、接近開關(guān)和接觸器等均會(huì)動(dòng)作出錯(cuò)。而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時(shí)逐步啟動(dòng)，則能最大程度上消除電壓下降。

4.3 低速運(yùn)行可以減少磨損，降低噪音，有利于延長(zhǎng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。

4.4 節(jié)能效果顯著。由于最終的能耗是與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后，大大地節(jié)約了成本。

5 結(jié)束語

變頻調(diào)速用于交流異步電機(jī)調(diào)速，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何交、直流調(diào)速方式。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試使用方便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著，已經(jīng)成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。

參考文獻(xiàn):

[1]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]三菱變頻調(diào)速器FR-F500使用手冊(cè).

[3]吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊(cè)[Z].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[4]張宗桐.變頻器及其裝置的EMC要求[J].變頻器世界，2000，(9).