范家業
浙江大唐乌沙山发电有限责任公司
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。变频调速技术的有效应用首先能够充分保障设备和设施的有效运行，在一定程度上维持自动化技术水平。为了充分发挥出变频调速技术对于风机、控制的关键作用，需要在发展实践中不断进行技术革新与机制改革，从而保证各项生产工作的顺利、安全、有序进行。
关键词：变频调速；节能；风机；泵
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，泵流量方案的设计也是为了满足最大流量的要求，而风机的调整方式往是通过挡板、回流等方法来控制的。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。为了保证产品的可靠性，一些厂家在给风机和泵的动力装置充电时，如风机、排风机、流量风机、离心泵等，仍有一定的余量。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，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，它还会增加对设备的机械冲击，降低设备的使用寿命。
2.变频器的结构和基本工作原理
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，流量与速度之比为第一正效应比，压力与速度之比为第二正效应比，效应与速度之比为第三正效应比也就是说，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。
2.3 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。
3变频调速技术的原理分析
变频调速器节能、功率因数补偿以及软启动器节能三个方面是变频调速技术在工业风机泵类控制中应用的主要原理。首先，基于发动机的工作原理是速度与气流的主要功率成比例，功率也与速度成比例。 当电机工作效率恒定，如果减少流量，转速和功率将同时变小。其次，电气设备在低功率状态下会出现发热情况，线路损耗增加，从而使得有效电能减少，设备使用效率将受到严重影响，导致大量资源被浪费，运行成本将增加[3]。而变频调速技术通过对功率因素进行补偿，起到降低电能损耗的目的。再者，通常情况下，风机和泵系统主要是直接启动，启动时电流可达额定电流的5倍。所以对设备容量提出了较高要求[4]。变频调速技术能够有效控制启动电流，降低启动电流对电网的冲击，延长设备的使用年限。由此可见，对处于风机泵类控制系统而言，要想进一步促进其发展，就必须要提高变频调速技术水平，切实发挥出其功能效用。
4.变频调速技术的发展前景
变频控制设备作为一种速度控制设备，它集成了微电子、发电和变频技术，主要通过改变发动机功率的频率来实现对交流发动机的控制。 目前，市场上变频器主要有高压和中低压两种，尤其是低压变频器因调速范围大、操作便捷，同时还具有调节、软启动、功率改善等作用，因此在电梯、纺织机械、起重机械、电力等领域应用广泛。近年来，国内外非常重视高性能变频控制技术的研究，随着现代科技的不断发展，变频器与电动机一体化发展将成为可能。当然，变频控制的性能将更高，而人们对数字化信息的依赖度较高，系统必然要实现全数字化控制。随着大众环保意识的觉醒，逆变器的抗干扰、高水平和谐衰减和其他方面也必须符合：国际EMC低电磁声逆变器的发展标准。总而言之，在今后很长一段时间内，变频调速技术必然会朝着人工智能、绿色环保等方向发展，不仅能够提高控制的精准度，还可以在较短时间内进行复杂控制，同时在故障监测和诊断中也更加灵活。
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参考文献
[1]刘洋.变频调速技术运用分析[J].中国设备工程，2020（10）：177-178.
[2]邓建旺.变频调速技术及其在风机、泵类中的应用研究[J].科技资讯，2019，17（28）：17-18.
[3]郑杰.浅谈工业电气自动化控制中變频调速技术的应用[J].科技风，2019（11）：95.
[4]梁辉.变频调速在风机、控制中泵类中的运行思路探究[J].电子世界，2020（09）：57-58.