变频调速技术实验研究及其应用分析

摘要：从变频调速的基本原理开始，讨论了电动机调速与节能的关系，根据实验数据，结合生产实践中大量使用的风机、水泵进行分析，指出变频调速有利于节能及其它优势，并结合相关实例说明了使用变频技术带来的经济效益。

关键词：变频调速 节能 流量 频率 功率

1．概述

我国的能源供应还很紧张，最大限度的利用能源是一种客观要求。而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。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。 近年来变频技术被广泛的应用在生产、生活的各个方面，就是由于使用了变频技术可以大幅度提高能源的利用率。

2 变频调速

2.1 变频调速的基本原理

在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。在其工作时首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上。由电工原理可知电机的转速与电源频率成正比， 通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速，实现平滑的无级调速。

2.2 电动机调速与节能的关系

风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：

上述式子中Q1、H1、P1分别代表转运n1时的流量、压力、功率。Q₂、H₂、P₂、分别代表转速n₂时的流量、压力、功率。即流量与转速的一次方成正比：压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。

由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。例如：当转速降到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的(80%)³≈51%；若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的(40%)³≈6.4%。

风机(水泵)调节流量，可行的方式有两种：

第一种方式是保持电机转速不变，通过调节风阀来调节流量。此时风机的对H-Q特性曲线不变。而风阀开度发生变化，即管路的阻力特性发生了变化，即管路阻力增加。

第二种方式是管路的阻力特性保持不变(即风门不变)，通过调节电机的转速来调节流量。 这种方法所消耗的功率相对于第一种要小得多。调速是控制风机、水泵节能的相当有效的措施。

风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。

2.3 电机在不同频率下运行的节电效果：P=N3 ( 仅供参考)

1．频率下降10%情况下的节电率：1-(1-10%)³=27.1%；

2．频率下降15%情况下的节电率：1-(1-15%)³=38.6%；

3．频率下降20%情况下的节电率：1-(1-20%)³=48.8%；

4．频率下降25%情况下的节电率：1-(1-25%)³=57.8%；

5．频率下降30%情况下的节电率：1-(1-30%)³=65.7%；

如果电机运行频率长期稳定在30%以下，且远期负载无扩展趋势，建议更换电机拖动系统，经济上更合算。 　　　　

3.变频调速技术节省能源：

3.1 传统的控制流量的办法是用阀门控制，而用阀门控制流量从100％流量减到70％流量时能量只减少2％。而用变频调速控制以后，同样的降到70％流量，能量下降了52％，从而使系统的效率大为提高。国外资料表明：当工作点位于最大流量的80%时，使用风阀将消耗电机能量的93%，导流叶片消耗为70%，涡流联轴器消耗67%，而变频器消耗51%，差不多是风阀的一半；当气流量降至50%时，变频器只消耗15%，而联轴器消耗为29%，导流叶片消耗为49%，风阀为73%。这显示出在输送相同气流量情况下，风阀消耗的能量几乎是变频器的4倍。

3.2 应用变频器调速的其它好处：

(1)、减少噪音，对风机来说降低转速的同时，噪音大幅度降低。

风机噪声抑制公式：(dB)551og( 速度1/速度2)，速度从100％降到50％的噪声降低量为：55×1og(1500/750)=55×0.30=16.5dB噪音电平降低了16.5分贝，这是一个很显著效果。

(2)、设备软启动，消除了起动冲击。

感应交流电动机的启动电流可以达到满载电流的7倍多，即便是采用Y-△起动也会达到4.5倍。所有启动方式都必需考虑到接通电源瞬间对电网的冲击，电机越大冲击越大，这就不得不加大相应供电设备的供电能力来承受冲击。而使用了变频器后则不然，它没有了启动冲击，起动电流由零开始随着负荷增加而逐步上升，不管什么时候它都不会超过满载电流，而且起动时间还可人为设置，平稳地达到预设速度。

(3)、高功率因数：

供电局对用户功率因数有严格要求。当低于90％时用户必需采取补偿措施，否则将罚款，反之则可受奖。而使用变频器后功率因数可接近1，免除了功率因数的补偿。

(4)、改善机械性能：

减小机械磨损。起动时间和停车时间均可设置，使运行平稳。消除了启动时的皮带打滑尖叫损坏皮带。延长了机械的使用寿命。

(5)、变频器有完善的保护：

由于变频器普遍使用了智能控制，所以保护十分完善。电气上的常规保护全都包括，而且还有许多例如：电机/电源缺相；相间短路；接地故障；过/欠电压；变频器/电机过热；过速/低速报警；过载/空载报警等等保护。

(6)、操作简捷直观：

变频器设有显示屏，可迅速而简单地进行所需要的调试，编程及查询工作，显示器能提供有关变频器，电机和操作状态的信息。其中包括转速、频率、负载、千瓦小时、运行时间、报警状态等等。

(7)、变频器具有通讯功能：

现在不少变频器都具有工业网络通讯功能。例如标准的RS--485通讯。这就可方便地纳入BAS等网络的集散控制系统。

4.实验

4.1 实验装置及仪表

本实验的基础是大流量空气分布器动力性能试验台，其可测风量为9000m³/h。系统空气流量测量段按国家标准设计：(1)流量测量装置由接收室和排放室组成，两室之间由带喷嘴的隔板分开。(2)喷嘴之间的中心距离大于较大喷嘴喉部直径的3倍，排放室或接受室侧壁到最近任一喷嘴喉部直径的中心距离大于喷嘴喉部直径的1.5倍。(3)在接收室和排放室中安放均流器，其均匀的孔眼面积占流通面积的40%。(4)由于喷嘴装置及其设备的连接部分处于密封状态，检漏实验证明空气的渗漏量不超过被测空气流量的1%。以上几条保证本实验精度，其测量数据具有很高的研究价值。本实验风机选用了4-72型Ne-5A离心通风机1台，标牌名义风量和风压分别为8480-12720m³/h及1138-785Pa，风机的电机功率为4kw，电机型号为Y112M-4，为了能任意调节风量，实现无级调速，采用了SVF113-380A(日产)变频器。

本实验测量仪表采用了DT6234光电转速表测风机的转速，ZBY215-84空盒气压表测大气压力，二等标准水银温度计测空气温度，YYT-200B斜管压力计测喷嘴前后的静压差，DT862-4型功率表测风机的功率。为了更好的利用数据，本实验记录了当时测量时的大气压强、环境温度、进气口及出气口的温度。

4.2 计算公式

为测量大风量，采用了多个流量喷嘴组合的风量测量装置。本实验共用了1个Ф70mm的喷嘴，2个Ф100mm的喷嘴，2个Ф150mm的喷嘴。采用压差法进行流量的计算，计算公式为：

从(1)式中：Q_n为通过流量喷嘴的体积流量，(m³/s)；系统总送风量等于通过各流量喷嘴的风量之和；A_n为喷嘴的喉部面积，(m ²)；△P为喷嘴前后静压差，(Pa)；ρn 为通过喷嘴的空气密度，(kg/m³)；C_n为喷嘴流量系数。

从(1)式可知，为使流量Q_n与压差△P成一一对应关系，必须使C_n、A_n、ρn等为确定的值，特别流量系数C_n是一个受影响因素较多、变化范围较大的量，本实验台选用了符合国际标准、由建研院空调所生产的长颈喷嘴节流装置，其喉部长度L=0.5d，d为喉部直径(mm)。在此条件下，流量系数可按下式计算：

式中雷诺数值可用下式算出：

式中W_n是通过喷嘴喉部的速度，m/s，可按下式计算

为保证测量精度，按标准规定，15 m/s﹤Wn﹤35 m/s。v为喷嘴入口处空气的运动粘滞系数，可通过查表或计算求得。

具体分析如下：

从图中4-1可以发现功率于频率不成线性关系，随着频率的增大，功率也随之增大。实验中频率从41Hz~46Hz范围中，增加趋势相对稳定，而此前此后范围内，变化较大，表现为图中曲线斜率突增。

从图4-2中可知，频率与风量不成线性关系。随着频率的增大，风量也随之增大。在频率为0.2062~0.2229Hz和0.2759~0.3000Hz范围内，上升幅度较大，从0.2229Hz以后，上升幅度趋于平缓，达到0.2379Hz以后，上升幅度突然增大，至0.2379Hz以后，上升幅度突然增大，至0.2579Hz以后上升幅度再次恢复相对平缓。

从图4-3中可以发现功率与流量不成线性关系，并且随着流量的增大，功率也随之增大，又Q=A*v，在通风断面面积一定情况下，流量Q随v的增大而增大。实验中，所消耗的电能绝大部分转化为空气动能，还有一部分由于克服沿程阻力和局部阻力转化为内能，使通风管壁温度升高。

5．节能分析

5.1 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：

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IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m3/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。

则每年的节电量为：W1=45×11×(100%－69%)×300=46035kW·h

W2=45×13×(95%－20%)×300 =131625kW·h

W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h

每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。

2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=(n / n0)3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。

以一台工业锅炉使用的22 kW鼓风机为例。运行工况仍以 24小时连续运行，其中每天11小时运行在90%负荷(频率按46Hz计算，挡板调节时电机功耗按98%计算)，13小时运行在50%负荷(频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%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=22×11×[1－(46/50)3]×300=16067kW·h

W2=22×13×[1－(20/50)3]×300=80309kW·h

Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kW·h

挡板开度时的节电量为：

W1=22×(1－98%)×11×300=1452kW·h

W2=22×(1－70%)×11×300=21780kW·h

Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h

相比较节电量为：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h 每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。

5.2 实例分析

某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号6SA-8，额定流量53. 5 L/s，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37 kW。对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下：　　

相比之下，在一天内变频调速可比阀门节流控制节省275.1 kW·h的电量，节电率达42.1%。　　

6、结束语

由以上分析可知使用变频调速技术可以大幅度提高效率节约能源，具有十分可观的经济效益。

风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，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。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。

附实验数据记录表：

参考文献

变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析　　《工控大世界》工控新闻