高压变频调速技术在风机.docx

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高压变频调速技术在风机

高压变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析

摘  要：

本文着重介绍高压变频器在风机、泵类设备中节能情况，对其节电情况进行分析。

结果表明，风机、泵类设备采用高压变频器进行调速节能改造，具有投资省，见效快等特点。

  关键词：

  高压变频调速  节能

  一、引言

  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。

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、提高产品质量的重要手段之一。

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。

八十年代末，该技术引入我国并得到推广。

现已在电力、冶金、石油、钢铁、化工、给排水等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。

目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。

卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

  二、综述

  通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。

而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。

这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。

在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。

从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

  泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、螺杆泵、柱塞泵等设备。

而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、液位等信号的控制。

这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。

风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。

不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。

  近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。

  变频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=60f（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。

  三、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-压力关系曲线如下图所示。

  在现场控制中，要求管网压力不得低于H3，在此范围内调节系统供水流量。

通常采用水泵定速运行，调节出口阀门开度控制流量。

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；受其节流作用使得泵口压力由H1变为H2，管网压力则因为节流原因降至H3。

  水泵轴功率实际值（kW）可由公式：

P=Q•H／（η  c•η  b）×10-3得出。

其中，P、Q、H、η  c  、η  b  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（η  c•η  b）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，从图中还可以看出：

阀门调节时将使系统压力H升高，这将对泵体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，理论节能率在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。

  四、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BDC300-400/D3S型离心泵为例，额定流量1025m3/h，扬程278m；配备YLBT500-4型电动机，额定功率1060kW。

泵在阀门调节和转速调节时的流量－负载曲线如下图示。

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=1060×11×（100%－69%）×300=1084380kW•h

              W2=1060×13×（95%－20%）×300=3100500kW•h

              W=W1＋W2=1084380＋3100500=4184880kW•h

  每度电按0.46元计算，则每年可节约电费192.5万元。

由此可见，高压变频调速技术在变负荷设备中应用，其节电效果是相当显著的。

  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。

  以电厂25MW发电机组配备的355kW送风机为例。

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（对应变频运行频率46Hz,挡板调节时电机功耗98%），13小时运行在60%负荷（对应变频运行频率30Hz,挡板调节时电机功耗70%）；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=355×11×[1－（46/50）3]×300=259267.01kW•h

                      W2=355×13×[1－（30/50）3]×300=1085448kW•h

                      Wb=W1＋W2=259267.01＋1085448=1344715.01kW•h

  挡板开度时的节电量为：

W1=355×（1－98%）×11×300=23430kW•h

                  W2=355×（1－70%）×13×300=415350kW•h

                  Wd=W1＋W2=23430＋415350=438780kW•h

  相比较节电量为：

W=Wb－Wd=1344715.01－438780=905935.01kW•h

  每度电价0.36元，则采用变频调速每年可节约电费32.61万元。

  通过以上两种常见设备工况下的节能计算可以看出，高压变频调速技术的应用具有显著的节能降耗效果。

但是，由于各种工业现场的负载、运行工况、控制目标的差异，在计算方式上存在很大的区别；因此，针对实际问题要采取不同的原始数据和计算程式。

  五、结束语

  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，《中华人民共和国节约能源法》第39条就把它列为通用技术加以推广。

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，设备一次性投资及建设费用通常可以在9个月到24个月的生产中全部收回。

一、前言

   能源是国民经济的基础，关系到经济社会的可持续发展。

现代社会发展的主要能源是动力来源。

世界上所有的国家都在致力于大规模的开发和利用能源，并在提高能源利用率方面做了大量的工作。

据有关部门提供的能耗统计资料表明，目前我国能源利用率还是非常低，只有32%，而美国则为51%，日本为57%,我国每万元国民生产总值能耗比发达国家高出4倍多，主要能耗产品的单位能耗比发达国家高出30%～90%；我国的经济发展成本是国外发达国家的1.5倍。

同时随着我国加入WTO，国内市场的开放程度将越来越大，市场竞争也将越来越残酷，因此企业大力提高能源节约和资源综合利用技术水平，将成为企业将低成本、提高竞争力的内在要求和必由之路。

二、油田企业的节能潜力分析

   油田企业在我国是公认的产能大户，同时又是耗能大户。

能源消耗在油田企业生产成本中占有相当比重，如：

油气生产能源消耗费用占油气生产成本的20%左右，原油加工能源消耗费用占加工成本的30%左右。

因此节能降耗是油田企业一项长期战略任务。

   油田的注水系统、输油系统、机械采油系统、锅炉供热系统和供配电系统等五大系统为油田的耗能大户，他们的耗能量占油田总耗能量的75%以上，提高这五大系统效率是搞好油田企业节能降耗的关键。

在这些能耗中，电力耗能占了相当大的比重。

油田企业的用电负荷和耗电量都是其他企业不可攀比的。

注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加压泵、输油泵、抽油机、深井油泵、供热锅炉鼓风机、引风机、…，在这些设备的大量应用使其异步电机耗电约占油田总用电量的80%，占油气生产用电量的95%。

在各种生产装置配备的各类异步电动机，在考虑了生产工况的变化和启动容量的需要后，总体来说配备容量都大于实际输出功率，平均负载率和平均运行功率都较低，因此节电的潜力也非常巨大。

   现阶段对于异步电机节能降耗最有效的方法之一就是应用高压变频调速系统。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

三、高压变频调速系统节能分析

   调速节能原理从二个方面来说明：

   1、风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量，这是一个节电的有效途径。

风机的特性曲线如图1所示。

在用档风板控制额定风量Q1=100%输出时，则轴功率N1与面积AH1OQ1成正比，若风量减半Q2=50%输出时，则轴功率N2与面积BH2OQ2成正比，它比N1减少不多，这是因为需要克服档风板阻力增大风压所致。

如果采用调速控制同样风量减半输出时，转数由n1降至n2，按风机参数比例定律画出n2时的特性曲线，C点为新的工矿点，这时轴功率N2与面积CH3OQ2成正比，在满足同样风量Q2情况下，轴功能降低很多，节省的功率耗损△N与面积BH2H3C成正比，可见节电效果十分显著。

图1风机的特性曲线

   2、流体力学的观点

   流量∝转速

   压力∝转速︿2

   轴功率∝转速︿3

   若转速下降20%，则功率下降到51.2%

   若转速下降50%，则轴功率下降到12.5%

   即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。

四、一种新型的移相级联式高压变频器

   一种新型的移相级联式高压变频器在北京新电创拓科技有限公司投入批量生产，这种被命名为Diamond-HV系列的高压变频器是由新电创拓公司和德国技术专家合作开发成功的。

它采用HV-IGBT元件、全桥级联式多电平逆变技术、多重化输出和模块化设计方案，具有结构简洁、安全可靠、无湝波污染和可直接驱动普通异步电动机等特点。

现将这种高压变频器简介如下：

   1、系统结构

   Diamond-HV系列高压变频器的结构如图2所示，由移相变压器、功率单元和控制器组成。

图2Diamond-HV系列变频器（标准配置）

   移相级联式高压变频器采用3个独立功率单元串联的方式来实现高压输出，其原理如图2所示。

电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三组输入、单组输出的交—直—交SPWM电压源型逆变器结构，如图3所示。

将相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。

每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。

图3SPWM电压源型逆变器结构

以额定输出电压为6KV的变频器为例，每相由3个额定电压为1275V的功率单元串联而成，输出组电压最高可达3825V，线电压可达6600V左右，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/3的相电压和1/9的输出功率。

这样设计，单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的额定电流决定变频器输出电流。

由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以不存在功率器件串联引起的动态均压问题。

单元内采用3300V的HV-IGBT，以达到在满足输入、输出波形质量要求的前提下，尽量减少每组串联单元的个数，降低成本，提高可靠性。

   输入变压器采用多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。

变压器的9个二次绕组，采用延边三角形联结。

分为3个不同相位，互差200电角度，形成18脉波的二极管整流电路结构，所以理论上17次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于3%。

在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每三个二次绕组，分别给分属于电动机三相的功率单元供电。

这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。

这种变频器不加任何谐波滤波器就可以满足供电部门对输入电流谐波失真的要求。

由于采用二极管整流的电压源型结构，电动机所需的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，基本可保持在0.96以上，不必采用功率因数补偿装置。

图4功率单元主电路结构

图5多重化设计的移相变压器

   由于采用二极管不可控整流电路结构，所以变频器对浪涌电压的承受能力较强。

雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管给滤波电容充电，滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量。

   3、移相SPWM输出技术

   逆变器输出采用多电平移相式SPWM技术，同一组功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开1200电角度，实现多电平移相SPWM，输出电压非常接近正弦波，输出波形如图6所示。

功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器效率。

由于采取多电平移相式SPWM，等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，输出电压湝波含量低于2.33%。

同时，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动也大大降低。

对脉动电压波来讲，当输出电缆长度超过临界值时，运行波反射引起的过电压会造成电动机的绝缘损坏。

由于Diamond-HV系列高压变频器的输出du/dt较低，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，运行中不会对电动机绝缘构成威胁，所以对变频输出与电动机之间的电缆长度没有特殊限制。

图6移相级联式高压变频器线电压输出波形

   4、接口与通讯

   功率单元与主控系统之间通过光纤进行通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，特别值得一提的是，与其他厂家单元串联高压变频器不同，Diamond-HV高压变频器的单元外壳是安全接地的，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

功率单元采用模块化结构，所有的功率单元可以互换，以便于维修，每个单元只有3个输入、2个输出电气连接端和四组光纤插头与控制系统连接。

   Diamond-HV高压变频器采用功率单元自动旁路技术，这样即使在个别功率单元损坏的情况下,也能降额继续运行，或采用冗余功率单元设计方案使变频器满载继续运行。

   5、控制器

   控制器核心由嵌入系统并行处理单元和光纤通讯接口组成。

移相SPWM技术可以保证电机在各种频率下都能达到最优的运行性能。

全中文视窗监控和操作界面使操作更加方便、可靠。

工业标准接口可以实现远程监控和网络化控制。

该类型高压变频器彻底摒弃了可靠性较差的工控机，取而代之的是超大规模集成电路的一体化设计，其运行可靠性大大提高。

   控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

四、结束语

   今天节能降耗工作日益成为人们关注的重点，油田企业拥有着巨大的节能潜力，而高压变频调速系统在我国油田企业的节能降耗工作中也必将成为强有力的工具。

风机高压变频调速改造及节能原理

作者：

《变频器世界》李凯

摘要：

风机在由定速改造调速运行后，在输出相同流量同时节约大量的能源，了解其原理和计算模型。

英文摘要：

Thewindpumpinvariablenessrunningtoshiftrunning,keepsomefluxsoeconomizeagreatdealenergysources.Realizeitselementsandreckonmode.

关键词：

轴功率；风阻特性

1引言

在工业生产和产品加工制造业中，风机设备应用范围广泛；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、提高产品质量的重要手段之一。

目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。

它的卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

2风机的参数及特性

2.1风机的基本参数

（1）风量Q—单位时间流过风机的空气量（m3/s，m3/min，m3/h）；

（2）风压H—当空气流过风机时，风机给予每立方米空气的总能量（kg·m）称为风机的全压Ht（kg·m/m3），其由静压Hs和动压Hd组成。

即Ht=Hs+Hd；

（3）轴功率P—风机工作有效的总功率，又称空气功率；

（4）效率η—风机轴上的功率P除去损失掉的部分功率后剩下的风机内功率与风机轴上的功率P之比，称为风机的效率。

2.2风机的相似理论

风机的流量，运行压力，轴功率这三个基本参数与转速间的运算公式极其复杂，同时风机类负荷随环境变化参数也随之变化，在工程中一般根据风机的运行曲线，进行大致的参数运算，称之为风机相似理论：

Q/Qo=n/no

H/Ho=（n/n0o）2（ρ/ρo）

P/P0=（n/no）3（ρ/ρo）

式中：

Q—风机流量；

H—风机全压；

n—转速；

ρ—介质密度；

P—轴功率。

风量Q与电机转速n成正比，Q∝n；风压H与电机转速n的平方成正比，H∝n2；轴功率P与电机转速n的立方成正比，P∝n3。

2.3电动机容量的计算

式中：

P—风机电动机所需的输出轴功率（kW）；

Q—风机风量（m3/s）；

H—风机风压（kg/m2）；

ηr—传动装置的效率，直接传动为1.0，皮带传动为0.9~0.98，齿轮传动为0.96~0.98；

ηF—风机的效率；

102—由kg·m/s变换为kW的单位变换系数。

3风机调节输出风量的方法

3.1通过改变风机的管网特性曲线来实现对风机的风量的调节

这种办法是通过调节挡风板的开关程度来实现的，如图1所示。

图1不同管网的特性曲线风机风量的特性曲线

风机档板开度一定时，风机在管网特性曲线R1工作时，工况点为M1，其风量、风压分别为Q1、H1，其输出流量是Q1。

将风机的挡板关小，管网特性曲线变为R2，工况点移至M2，风量、压力变为Q2、H2，其输出流量是Q2。

将风机的挡板再关小，管网特性曲线变为R3，工况点移至M3，风量、压力变为Q3、H3，其输出流量是Q3。

从上面的曲线分析，通过调速风机档板的开度，管网的特性参数将发生变化，输出流量发生变化，这样就达到了在定速运行时调节风机输出流量的目标。

在调节风机流量的过程中，而风机的性能曲线（H-Q曲线）不变，工况点沿着风机的性能曲线（H-Q曲线）由M1移到M2，特性曲线由R1变为R2，风机输出流量由Q1变为Q2，这种方法结构简单，操作容易。

目前多数风机都采用这种方法，但是由于风机的内部压力由H1变为H2，这样，在流量减少的同时，压力同时上升，在档板上消耗了大量的无效轴功率，极大地降低了风机的转换效率，浪费了大量的能源。

3.2通过改变风机叶片的角度来实现对风机的风量调节

当风机管网性能曲线不变时，通过改变风机叶片的角度，使风机的特性曲线（H-Q曲线）改变，工况点将沿着管网特性曲线移动，达到调节风量的目的。

如图2所示，风机叶片角度为α1时，M1点是原来工况点，其风量、风压分别为Q1、H1；风机叶片角度为α2时，风机性能曲线（H—Q曲线）由α1线变为α2线，与管网特性曲线相交于M2，风量、风压变为Q2、H2；风机叶片角度为α3时，风机性能曲线（H—Q曲线）由α2线变为α3线，与管网特性曲线相交于M3，风量、风压变为Q3、H3。

图2不同风机叶片的角度时风机风量的特性曲线

在这种调节风量的方法中，管网特性曲线不变，通过风机叶片角度的变化，调节风机性能（H—Q曲线），从而达到调节风机风量的目的。

这样，在调低流量