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摘要：在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；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。八十年代初发展起来的变频调速技术，一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。鉴于此，本文主要分析探讨了变频调速技术在风机、泵类应用中节能方面的内容，以供参阅。
关键词：变频调速技术；风机；泵类；节能
1频调速的节能原理
变频调速技术，是一种以改变电机频率来达到电机调速目的的技术。其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，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。风机、泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。当按需要将电机的转速调整到额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的(80％)3，即51.2%。去除机械损耗、电机铜、铁损耗等影响，节能效率也接近40%。同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。此外，由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，还可以避免启动时的电压冲击和启动转矩冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，降低对电网的容量要求和无功损耗。因此，采用变频器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法。
2节能分析
通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1.流量-转速-压力关系曲线如图所示。
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图1 水泵流量转速压力曲线
在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向I由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2.水泵轴功率实际值（kW）可由公式：P=Q.H／（ηc.ηb）×10-3得出。其中，P、Q、H、ηc、ηb分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1.假设总效率（ηc，ηb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向II由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。另外，还可以看出：阀门调节时将使系统压力H升高，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H将随泵转速n的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小，节能率在75%以上。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。亦即，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。
3频调速与风机、水泵节能
3.1风机、水泵调节流量的方法
风机、水泵调节流量的方法有很多种，也都有各自的特点，主要有3种：(1)交流电动机变频调速。(2)采用液力耦合器或电磁转差离合器调节风机、水泵的转速，但是在这种情况下电动机是恒速运转的。(3)利用传统的机械方法来调节风机的挡板，调节导流器及水泵的阀门开启度。由于在节电率百分比相同的情况下装机容量越大，其绝对节电量也越大，所以现如今更应该推广应用高压变频调速节能，将变频调速应用在大容量高压电动机驱动的风机、水泵和压缩机上。
3.2变频调速在风机、水泵节能中的应用
将流体理论作为基本的出发点，可以用三次方函数来表示离心式风机、水泵的轴功率和转速的关系。在研究中表明，滑差后液力调速的效率会随着调速方案效率的变化而降低，当转速下降为50%时，变频调速器会呈现出较高的效率，这样一来，就会发现一切基本没有发生任何变化。所以变频调速是所有调速方案中节能效果最好的。用一个实际例子来说明，同一台水泵、风机的转速流量和轴功率都为100%时，将转速流量调到50%，轴功率也会降到50%。但如果滑差调到50%，则只需从电网中吸入25%左右的功率；假如通过变频的方式，将流量降到50%，则只需从电网中吸入10%左右的功率。因此，我们不难发现，变频调速具有无可比拟的优势。
3.3风机、水泵通过变频调速节能的效益
目前我国的电动机总装机容量很高，几乎达到4．54亿kw，电动机的运行大概消耗全国总发电量的65％，所以有效实现电机节电成为当前的目标。一般电机节约能源主要有2个途径：一是提高电机转速的控制精度，使电机的运行更节能；一是提高电机本身的效率，以达到长期高效的运行。在国民经济生产中，生产量大、应用面积广的电机驱动设备主要是风机、水泵和压缩机，总电机容量高达1．5亿，这些机器消耗的电量基本上占全国发电总量的35％，这其中约25％的风机、水泵需要调速。
4变频调速与环境保护
在企业电能总消耗中，电机驱动耗能占很大比例。我们有理由相信，天然气、燃煤、石油等燃料的枯竭，很大程度上要归咎于过度的电力消耗。二氧化氮和二氧化碳的过量排放，会造成严重的空气污染，会对大气臭氧层造成无法修补的严重破坏，对人类的生活造成极为不利的影响。当前，环境问题日益严重，已经影响到了人们的日常生活，但随着人们环保意识的不断提高，越来越多的人开始关注环境问题，并积极投身到环境保护中来。因此，在企业的生产过程中，企业理应广泛采用变频调速节能技术，这样不仅有效地节约了能源，还减少了污染的排放，起到了保护环境的作用。
结束语
总而言之，通过变频调速技术实现风机、泵类等设备节能运行，受到国家政府的普遍重视。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。变频调速技术既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且大大减少了设备维护、维修费用，缩短了停产周期。变频调速技术越来越受到国内外工程的关注，将在我国的经济建设中发挥更好的作用。
参考文献
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