风机水泵的变频调速节能计算分析.pdf

⋯ 一 ⋯～ 一一 风机水泵的变频调速节能计算与分析 风 机 水 泵 的 变 频 调 速 节 能 计 算 与 分 析 作者谭小平 谭小平 成都明科机电工程有限公司，四川 成都6 1 0 0 4 1 摘要 本文介绍了变频器在风机 、 水泵节能中的应用， 给出了变频调速节能的基本原理和实际节能效果。 关键词 变频调速 ； 风机； 水泵；节能 中图分类号 T P 2 7 1 一 5 文献标识码 A 文章编号 1 8 1 7 0 6 3 3 2 0 0 7 0 1 0 0 7 4 0 2 Ca l c u l at i on a n d An aly s i s o f Ene r g y Sa v i ng t hr o ug h Va r i a b l e Fr e q u e nc y Sp e e d Co nt r o l f o r Ai r Bl o we r a n d W a t e r Pu m p TAN Xi a o ping c o ． Mi n g k o E l e c t r o - Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． 。 C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 Abs t r a c t Th i s a r t i c l e de s c rib e s t h e a p p l i c a t i o n o fe qu e n c y c o n v e e r t o e ne r g y s a v i n g o f a i r b l o we r a nd wa t e r p u mp，a nd t h e ba s i c p rin c i p l e o f v a ria b l ee q u e n c y s pe e d c o n t r o l a n d t h e a c t ua l e f f e c t o f e n e r g y s a v i n g a r e p r e s e n t e d ． Ke y wo r dVa r i abl e F r e qu e n c y S p e e d Co n t r o l ；Ai r Bl o we r； Wa t e r Pu mp； En e r g y S a v i n g 0引言 目前风机、 水泵是工业应用中量大面广的通用性设备。 风机 和水泵的耗能在交流电动机总耗能中占很大的比重 ，由于这些 设备一般都是根据生产中可能出现的最大负荷条件进行选择 的， 但实际运行中往往比设计要小得多。如果电机不采用调速控 制， 则流量通常只能通过调节挡板或阀门来控制 ， 其结果会造成 很大的能量损耗。采用变频器将电动机直接进行调速运行， 则耗 能量将会显著减少 ， 将产生巨大的节能效益 。 1变频调速的工作原理 交流异步电动机的转速公式为 N 6 0 f 1 - s ／ P 式 1 其中 N 电机转速 r ／ ra i n ； f 定子供电频率 H z ； P 极对数 ； S 转差率。 由上式 1 可知 ， 改变异步电动机的电源频率 f 就可以改变 电机的转速 N。 变频调速具有调速范围宽、 机械特性好、 效率高等 优点， 容易实现闭环控制， 是理想的调速方法。 2风机和水泵变频调速的节能运行原理 风机和水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性是转 矩随速度的上升而上升。风机和水泵的电动机的轴功率 P与其 流量 风量 Q， 扬程 压力 H之间的关系式如下 P Q x H 式 2 当流量 Q 由变化到 Q 时， 电动机的转速为 N 、 N ， 此时 Q、 H、 P相对于转速的关系如下 Q 2 Q 1 x N ／ N1 H HlX N N 1 式 3 P 2 P l X N ／ N 1 而电动机的轴功率 P和转矩 T的关系为 T P ／ N 因此 T _ ，r l X N ／ N 1 式 4 由式 3 、 式 4 可以看出 ， 风机和水泵的电动机的轴动力 功率输出 与转速的 3次方成正比， 而转矩与转速的 2次方成 正 比。 图 1 显示出了风机和水泵的扬程 压力 与风量 流量 的关 系曲线， 图 2显示出转矩与电机速度的关系曲线 扬程 压力 H、 H， 0 Q 2 Q 图 1 速度 1 0 0 ％ 图 2 从图 2中可以看出， 在低速时， 功率会有很大的下降。由于 风机或水泵运行 于额定转速 以上是没有 用 的， 因为转速 越高 ， 所 耗功率越大， 风机和水泵效率很低， 且由于其转矩 电流 以速度 的平方成正比增加， 容易损坏电机。理论上讲 ， 速度降低 1 0 ％时 会带来 3 0 ％左右的功率下降， 由于功率大幅度降低 ， 加到电机上 的电压也降低。 可获得额外的节能效果。 由流体力学可知 ， 对于风机， 风量与转速的一次方成正比， 风 压与转速的平方成正比， 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 8 0 ％时， 转速也下降到 8 0 ％， 而轴 功率将下降到额定功率的 5 1 ． 2 ％， 如果风量下降到 6 0 ％， 轴功率可 下降到额定功率的 2 1 ． 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， 在节能上是个有效的方法。 同理，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 ， 当流量下降时， 若不改变水泵转速， 扬程将上升， 其功率 可用扬程 流量来计算。用变频器进行调速， 流量下降时 ， 在压 力不变的情况下， 若转速下降至额定转速的 8 0 ％， 轴功率将下降 至额定功率的 5 1 ． 2 ％； 若使扬程恒定， 使转速下降到额定转速的 7 0 ％， 此时， 轴功率是额定值的 3 4 ． 3 ％， 节能达 6 5 ． 7 ％， 经济效益十 分 明显。 表 1调速所可能达到的理论节能值 Nl ／N ％ l 0 o 9 0 8 5 8 0 7 0 6 0 5 0 P l ／P 2 ％ 1 o o 7 3 6 1 ．4 5 1 3 4 2 1 ． 6 1 3 ．O 节电率 ％ O 2 7 3 8 ． 6 4 9 ． 0 6 6 7 8 ． 4 8 7 自 动 化 信 囊 A U T O M A T I O N I N F O R M A T I O N 维普资讯 一。 一 ～ 一～ 风机水泵的变频调速节能计算与分析 应当指出，表 1中所列出的数值仅为可能达到的理论节能 效果 ，但由于机械装置及其驱动电动机的差异以及低速时的效 率变化， 不同的装置在相同调速量时的节能效果可能有所差异 ， 而且实际节省的电能数据往往达不到理论值。 3应用实例 3 ． 1变频器在抽风机上 的应 用实例 下面为我公司对某大型煤矿 1 0 7 4 、 1 2 7 7 抽风机改造实例。 该大型煤矿始建于五十年代 ，随着经济的不断发展和生 产规模的不断扩大 ， 生产设备却没有及时的更新换代 ， 大量 的 老 旧、 高耗能设备仍在生产一线担负着重要使命 ， 而风机 、 水 泵是该煤矿量大而且面广的主要高耗能设备 ， 电能消费严重 ， 节 电潜力较大。因此， 对风机 、 水泵类进行节能改造实现经济 运 行 ， 加 强企 业 管理 、 开 展 “ 双增 双 节 ” ， 推进 技 术进 步 的一 项 重要手 段 。 该大型煤矿现有 7 ． 5 k W 以上的风机泵类设备共 6 4台套 ， 总 装机容量 2 1 2 4 k W， 其中， 在用风机 1 2台套 ， 装机容量 7 5 0 k W 不 包括局部通风机 ； 泵类设备 1 7台套， 装机容量 5 6 0 k W， 以上设 备大部分为高耗能 、 全天候运行的陈旧设备 ， 占该煤矿总耗电的 2 5 ％左 右。 我公司于 2 0 0 4年 7月对该煤矿 1 0 7 47 5 k W及 1 2 7 7 1 1 0 k W 抽风机进行改造 试验 。 改造前 ， 我们经过测试多组进行比较。 1 0 7 4 7 5 K W风机的具体参数为 频率 5 0 H z 、 电压 3 8 0 V、 电 流 1 5 0 A、 功率 7 5 k W 我们在测试 中， 1 0 7 4 风机在频率为 4 2 H z时就能满足井下 抽风要求。 电压 电流 频率 风门开度 转速 电机输入功率 项目， 电源 V A Hz ％ r ， ml n k W 工频电源 3 8 0 l 1 7 5 0 7 8 1 4 5 0 6 9 ． 5 变频电源 3 2 0 8 0 4 2 l 0 o 1 2 1 0 3 9 ． 8 由表中可知 运行时电流下降率 8 I ∞ 一 I ／ I u x l 0 0 ％ 【 1 1 7 8 0 1 7 】 x 1 0 0 ％ 3 1 ． 6 ％ 节 电率 为 6 9 ． 5 3 9 ． 8 ／ 6 9 ． 5 x 1 0 0 ％ 4 2 ． 7 ％ 1 0 7 47 5 k W 风机使用变频调速后，自2 0 0 4投入运行以来 ， 效果非常明显， 完全达到设计时的目标 ， 其 日节电量为7 1 4 k Wh 。 按每天三班工作制， 每年 3 0 0天工作日计算， 则每年节约电能 W 自 6 9 ． 5 3 9 ． 8 x 2 4 x 3 0 0 2 ． 1 4 1 O k wh 以该煤矿 2 0 0 4电全年电费平均值 0 ． 5 0 元使计算， 全年可节 约电费近 1 0 ． 7万元／ 年。 1 2 7 7 抽风机测试数据为频率 5 0 H z 、电压 3 8 0 V、电流 2 1 0 A、 功率 1 1 0 k W 电压 电流 频率 风门开度 转速 电机输入功率 项 目， 电源 V A Hz ％ r ， mm k W 工频电源 3 8 0 1 6 9 5 0 4 5 1 4 5 0 l 0 o 变频电源 3 3 4 l 3 2 4 3 ． 9 l 0 o 1 2 8 0 6 9 在测试 中， 1 2 7 7 抽风机在 4 3 ．9 H z 时， 即能满足井下抽风要求 节电率 为 1 0 0 6 9 ／ 1 0 0 x 1 0 0 ％ 3 1 ％ W 自 1 0 0 6 9 x 2 4 x 3 0 0 2 ． 2 3 x 1 0 S k Wh 该煤矿 2 0 0 4电全年电费平均值为0 ． 5 0元使计算， 全年可节 约电费 0 ． 5 0元x 2 ． 2 3 x 1 0 5 k Wh 1 1 ． 2万元 ， 以变频器及外部设备投 2 0 0 7年 1 、 2月 第 1 、 2册 总第 6 9 、 7 0册 资共 1 6 ．6万元计算 ， 根据上述经济效益 ， 则设备投资回收期为 1 6 ． 6 ／ 1 0 ．7 1 1 ． 2 0 ． 7 6年 大约 9 个 月 。 3 ． 2变频器在锅炉引风机上的应用实例 1 被测对象参数 电动机功率 6 5 k W 变频调速器为 ] P 6 C T 9 7 5型；容量 1 1 4 k V A；输入电压 3 8 0 V； 输出功率 7 5 k W； 频率 0 ． 5 4 0 0 H z 2 安装变频器前后测试有关数据 2 o o 3 年4 月 1 2 0 o 3 年5 月1 测试时间 8日 8日 9日 9日 l 0日 l 0日 l 6日 l 6日 l 7日 l 7日 l 8日 l 8日 项目 9 o 0 1 4 0 0 9 o 0 1 4 0 0 9 o 0 1 4 0 0 9 o 0 1 4 0 0 9 o 0 1 4 0 0 9 o 0 1 4 0 0 运行电流 A l 1 0 l 1 0 l 1 0 l 1 0 l 1 0 l 1 0 6 2 5 5 7 0 6 2 6 2 5 6 电压 v 3 8 0 3 8 0 3 8 0 3 8 0 3 8 0 3 8 0 3 6 7 3 2 5 3 8 0 3 6 7 3 6 7 3 3 0 功率 k W 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 6 4 3 5 2 7 ．5 3 5 3 5 3 5 2 8 ．2 电 机转速 r ／m i n 1 4 5 0 1 4 5 0 1 4 5 0 1 4 5 0 l 4 5 0 1 4 5 0 l 1 6 0 l o 7 0 l 2 l 0 l 1 6 0 l 1 6 0 l 1 o 0 频率 H z 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 4 0 3 7 4 2 4 0 4 0 3 8 从表 中的对 比看 节能效果 较大 ， 计算如下 未装变频器前风机正常运行，电机的 日平均输 出功率为 6 4 k W， 年耗电量为 6 4 x 2 4 x 3 3 0 5 0 ． 6 9万 k Wh ／ 年 安装变频器后电机的日平均输出功率为3 2 ． 6 k W，年耗电量为 3 2 ． 6 x 2 4 x 3 3 0 2 5 ． 8 万 k Wh ／ 年 年节电量 5 0 ． 6 9 2 5 ． 8 2 4 ． 8 9万 k wh 节 电率 为 f 6 4 3 2 ． 6 ／ 6 4 x 1 0 0 ％ 4 9 ％ 按 当时 电价 0 ． 5元／ k Wh 计 算 ，一年 节约 电费 用 为 0 ． 5元 2 4 8 9 0 0 k Wh 1 2 ． 4 5万 元 。 4 结论 通过对上述设备改造， 可以看出 1 、 应用变频器后 ， 电机的电压、 电流明显下降， 电机的输入 功率明显减少。 2 、 水泵、 风机转速调速范围不宜太大 ， 通常应不低于额定转 速的 5 0 ％， 最好在 7 0 ％～ 1 0 0 ％之间。 3 、 当转速低于额定转速的4 0 ％～ 5 0 ％时， 水泵、 风机本身的效 率明显下降， 不经济， 同时， 应避免开机时机组的机械临界点 ， 否 则会损坏机组 。 4 、 风机、 水泵的工况点明显改善， 风门可以全部打开， 完全 由转速调节流量， 对生产操作极为方便 ， 而且有利于水泵、 风机 的维护保养， 延长使用寿命 。由于变频器加减速时间可以任意设 定， 避免了风机水泵全负荷起动时的大电流冲击 ， 有利于延长设 备使用寿命。 5 、 变频器直接控制电机 ， 进行调速而带动风机工作 ， 从而提 高了风机的传动效率。 节电率在 2 0 ％～ 7 0 ％之间， 具有巨大的节能 效益 6 、 操作方便 ， 控制精度高， 响应速度快 ， 使整个系统工作平 稳。 E 1 8 釜耋窒夔 吴忠智， 吴加林 ． 变频器应用手册 第 2 版 [ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 堡童笪坌 谭小平男， 生于 1 9 7 1 年 ， 工 程师， 就职 于成都 明科机 电工程有限公 司。 维普资讯