变频器节能技术原理分析及应用

1、变频器节能技术原理分析及应用摘要:本文简述了变频器的基本工作原理,详细介绍了变频器调速 技术的节能原理和节能方法,并通过变频器在风机和水泵的具体应用, 说明了变频器具有较好节能节电的功能。关键词 :变频,调速 , 节能能源工业作为国民经济的基础,对于社会、经济的发展和人民生活 水平的提高都极为重要。当前全球经济发展过程中,能源的紧张不仅制 约了相当多发展中国家的经济增长,也为 许 多发 达 国家 带来 了相当 大 的 问题 。 因此 ,对能源的有 效利 用在 我 国 已 经 非常迫切 。作为能源 消耗大 户之一 的电机在节能方 面是大 有 潜力可挖 的。在工业生 产 和 产品加 工制 造 业中

2、, 风机、 泵 类等设备 应用 范围广泛; 其 电能 消耗 和 诸如阀门 、 挡板 相关 设备 的节 流损失以及维护 、 维修费 用 占到 生 产成 本的 7%-25%, 是一笔 不 小 的生 产费 用 开支 。 随着 经济 改革 的 不 断深入 , 市场竞争 的不 断加剧; 节能 降耗 业 已成 为 降低 生 产成 本、提 高 产品竞争力 的重要 手段之一 。变频调速技术, 正是顺 应了工业生 产现代 发展的要 求 ,在 我 国多 种 行 业的电机 传动设备 中 得到实际 应用。 卓越 的调速 性 能、 显 著 的节电 效 果 ,提高 设备利 用 率 , 从而 降低 电机功 耗达到 系统 高

3、 效 运 行 的节能 降耗 目 的。一、变频器工作原理变频器 是利 用电 力 半导 体器 件 的通 断 作用 将 工频电源变 换 为 另 一 频率 的电能 控 制 装置 。 它 是 按 一 定规律 改 变 脉冲列 的 脉冲宽度或幅度 , 以 调节 输出量 和 波形 的 , 从而 实现 电 动 机电 压 和频 率 的平 滑 变 化 。变频器的调速技术的基本原理 是 根据 电机 转 速 与 工作电源 输 入 频 率 成正 比 的关 系 : n =60 f(1-s /p (式 中 n 、 f 、 s 、 p 分别表示转 速、 输 入 频 率 、电机 转差率 、电机 磁 极对 数 ,通过 改 变电 动

4、 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 采 用 交 -直 -交(或 交 -交 电源变 换 技术,电 力 电 子 、 微 电 脑控 制 等 技术于 一 身 的 综合 性 电 气 产品 。二、节能原理分析2.1、变频 降 速节能:为了 保证 生 产 的 可 靠 性 , 各 种 生 产 机 械 在 设 计配 用 动力 驱 动 时 ,都 留 有 一 定 的 富余量 。 电机不能在 满负荷下运 行 , 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 电能的 浪 费 ,在 压 力 偏 高 时 , 可降低 电

5、机的 运 行 速 度 , 使 其 在 恒压 的 同时 节约电能。当电机 转 速 从 N1 变 到 N2时 , 其 电机 轴 功 率 P 的变 化 关 系 如 下 : P2/P1=(N2/N1 3, 由 此可 见 降低 电机 转 速 可得到 立 方 级 的节能 效 果 。 2.2、 动 态 调 整 节能:迅 速 适 应 负 载 变 动 , 供给最 大效 率 电 压 。变频调速器在 软 件上 设 有 5000次 /秒 的 测 控输出 功能, 始终 保 持 电机的 输出 高 效 率运 行 。2.3、通过变频 自 身 的 V/F功能节电:在 保证 电机 输出 力 矩 的 情况 下 , 可 自 动 调节

6、 V/F曲线 。 减少 电机的 输 出 力 矩 , 降低 输 入 电 流 , 达到 节能 状 态 。2.4、变频器 自 带 软启 动 节能:在电机全 压 启 动 时 , 由 于电机的 启 动力 矩 需 要, 要 从 电 网吸收 6-7倍 的电机 额 定 电 流 , 而 大 的 启 动 电 流 即 浪 费 电 力 ,对电 网 的电 压波 动损 害 也 很 大 ,增 加 了 线 损 和变 损 。 采 用 软启 动 后 , 启 动 电 流可以 从 0 电 机 额 定 电 流 , 减少 了 启 动 电 流 对电 网 的 冲 击 ,节约了电 费 ,也 减少 了 启 动 惯 性 对 设备 的 大 惯 量

7、的 转 速 冲 击 , 延 长了 设备 的 使 用 寿命 。2.5、提高功 率 因 数 节能:电 动 机 由定子 绕组 和 转子 绕组 通过电 磁 作用 而 产 生 力 矩 。 绕组 由 于 其 感抗 作用。对电 网 而 言 , 阻抗特 性 呈感 性 ,电机在 运 行 时 吸收 大 量 的 无 功功 率 , 造成 功 率 因 数 很 低 。 采 用变频节能调速器 后 , 由 于 其性 能 已 变 为:AC -DC -AC ,在 整 流 滤 波 后 , 负 载特 性 发生了变 化 。变频调速器对 电 网 的 阻抗特 性 呈阻 性 ,功 率 因 数 很 高, 减少 了 无 功 损耗 。三、实例分析

8、3.1、节能 实 例风机 是一种传 送 气 体的 装置 ; 而 水泵 是传 送 水 或 其 它 液 体的 装置 。 就 其 结构 和工作原理 而 言 , 两者 基本相 同 。 现 先 以 风机为 例 加以 说明:采 用变频器对风机 进 行 控 制, 属 于 减少空 气 动力 的节电方法, 它 和 一 般 常 用的调节风 门 控 制风 量 的方法 比 较,具有明 显 的节电 效 果 。 由 图 1可以 说明 其 节电原理:(下 图 :H 表示压 力 , Q 表示 流 量图 1图 1中, 曲线 (1 为风机在 恒定转 速 n1下 的风 压 -风 量 (H Q 特 性 , 曲线 (2 为 管网 风

9、阻特 性 (风 门 全 开 。假 设 风机工作在 A 点 效 率 最 高, 此 时 风 压 为 H2,风 量 为 Q1, 轴 功 率 N1与 Q1、 H2的 乘积 成正 比 ,在 图 中 可 用 面 积 AH2OQ1表示 。 如 果 生 产 工 艺 要 求 ,风 量 需 要 从 Q1减至 Q2, 这 时 用调节风 门 的方法相当于增 加 管网阻 力 , 使 管网阻 力 特 性 变 到 曲线 (3 , 系统由 原 来 的工 况点 A 变 到 新 的工 况点 B 运 行 。 从 图 中 看 出 ,风 压 反 而 增 加 , 轴 功 率与 面 积 BH1OQ2成正 比 。 显 然 , 轴 功 率下

10、降 不 大 。 如 果采 用变频器调速 控 制方 式 ,风机 转 速 由 n1降到 n2, 根据 风机 参 数 的 比 例 定律 , 画 出 在 转 速 n2风 压 风 量(H Q 特 性 , 如 曲线 (4 所 示 。 可 见 在 满 足 同 样 风 量 Q2的 情况 下 , 风 压 H3大 幅度 降低 ,功 率 N3随着显 著 减少 ,用 面 积 CH3OQ2表示 。节 省 的功 率 N=(H1-H3 ×Q2,用 面 积 BH1H3C 表示 。 显 然 ,节能的经济 效 果 是 十 分 明 显 的。由 流 体 力 学 可 知 ,风 量与转 速的 一 次 方 成正 比 ,风 压与转

11、 速的平方成正 比 , 轴 功 率与转 速的 三次 方 成正 比 。 采 用变频器 进 行 调速,当风 量 下 降到 80%时 , 转 速也 下 降到 80%, 而轴 功 率将下 降到 额 定 功 率 的 51.2%, 如 果 风 量下 降到 60%, 轴 功 率 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 ,

12、在节能 上 是 个 有 效 的方法。同 理,水泵的节能原理 由 图 2说明:(下 图 :H 表示压 力 , Q 表示 流 量 , N :表示轴 功 率图 2许 多用泵 场 合 都 需 在 维 持 恒压 的 情况 下 改 变 给 水 量(流 量 Q 从上 图 可 知 :当 流 量 Q1降 至 Q2若 不 改 变水泵 转 速, 扬 程 将 升 至 B 工作 点 , 其 功 率 可 用 H2×Q2来 计 算 ,对应 面 积 BH2OQ2。原 A 工作 点 功 率 Q1×H T 图 上 面 积 AH T OQ1, 两者所 耗 功 率 变 化 不 大 , 如 果 我 们 降低 转 速

13、 至 (2 即 可 节能 Q2×H2-Q2×H T = Q2×(H2-H T , 图 DBH2H T 的 面 积即 是 节能 值 。 再 如流 量 变 至 Q3若仍 以 额 定转 速 运 行 , 所需 功 率 Q3×H1, 浪 费 能 量 为 FCH1H T与风机节能原理相同：水泵电机输出功率正比于转速三次方关系。 用变频器进行调速，流量下降，可保持恒压 HT ，若转速下降至额定转速 的 80%，轴功率下降至额定功率的 51.2%，流量下降至 Q3，若使扬程恒 定，可使转速下降到额定转速的 70%，此时轴功率是额定值的 34.3%，节 能达 65.7%，

14、经济效益十分明显。 3.2、节能计算 对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两 种方式进行计算： 3.2.1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量-负载关系 曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。 以一台自吸排污泵为例：型号为 ZW200-280-28，配套的电动机额定 功率为 55kW。泵在阀门调节和转速调节时的流量负载曲线如图 2 所示 （P 为阀门调节，P0 为转速调节） 。根据运行要求，水泵连续 24 小时运 行，其中每天 14 小时运行在 90%负荷（由图看出:阀门调节时为 98额 定功率左右，转速调节时为 70额定功率左右） ，10 小时运行在 50%负 荷（

15、由图看出:阀门调节时为 92额定功率左右，而转速调节时为 22 额定功率左右） ；全年运行时间 300 天。 则每年的节电量为： W1=55×14×（98%70%）×300=64680kW·h W2=55×10×（92%22%）×300 =115500kW·h W1W2=64680115500=180180kW·h 如果电价按 0.7 元/kW·h 计算，则每年可节约电费 12.61 万元。 -5- 3.2.2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=（n / n0）3 计算，式中 P0

16、 为额定转速 n0 时的功率；P 为转速 n 时的功率。 以一台炼铁厂热风炉的助燃风机为例，使用的是 90 kW 的电机。运 行工况以 24 小时连续运行，其中每天 12 小时运行在 88%负荷（频率按 45Hz 计算,挡板调节时电机功耗按 95%计算） 12 小时运行在 50%负荷 ， （频 率按 20Hz 计算，挡板调节时电机功耗按 68%计算） ；全年运行时间在 300 天为计算依据。 则变频调速时每年的节电量为： W1=90×12×1（45/50）3×300=87804kW·h W2=90×12×1（20/50）3×

17、300=303264kW·h Wb = W1W2=87804303264=391068kW·h 挡板调节时的节电量为： W1=90×（195%）×12×300=16200kW·h W2=90×（168%）×12×300=103680kW·h Wd = W1W2=16200103680=119880kW·h 相比较节电量为：W = WbWd=391068119880=271188kW·h 如果电价按 0.7 元/kW·h 计算，则用变频调速每年可节约电费 18.98 万元。 四、小结 采用变频器调速技术实现节能降耗是我国重点推广的一项节能技 术，已应用在多种行业的电机设备中。特别是在风机、泵类设备驱动控 制场合取得了显著的节电效果。在我单位风机中的