風機水泵的變頻調(diào)速節(jié)能分析

節(jié)能降耗、增加效益是全社會應為之努力的方向。我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。應用于風機、水泵等設備的傳統(tǒng)方法是通過調(diào)節(jié)出口或入口的擋板、閥門開度來控制給風量和給水量，其輸出功率大量消耗在擋板、閥門地截流過程中。另外，由于在通常的設計中為了滿足峰值需求，水泵選型的裕量往往過大，也造成了不應有的浪費。根據(jù)風機、水泵類的轉(zhuǎn)矩特性，采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風量，將大大節(jié)約電能。下面就分析一下在風機水泵類負載中使用變頻器所能達到的效果。
一，通過變頻調(diào)速達到的一次節(jié)能
下面以水泵為例來說明，由圖1可以看到：
流量Q正比于轉(zhuǎn)速n
壓力H正比于n2
轉(zhuǎn)矩T正比于n2
功率P正比于n3

圖1 水泵流量、壓力、功率曲線 …

在普通的水泵流量控制中使用閥門來調(diào)節(jié)，如圖2所示：

圖2 閥門控制水泵流量

管道阻力h與流量Q的關系為h正比于RQ2，其中R為阻力系數(shù)
電機在恒速運行時，流量為100%情況下（工作點為 A），水泵軸功率相當于Q1AH1O所包容的面積。
電機在恒速運行時，采取調(diào)節(jié)閥門的辦法獲得70%的流量（工作點為 B），將導致管阻增大，水泵軸功率相當于Q2BH2O所包容的面積，所以軸功率下降不大。
采用變頻調(diào)速控制流量時，由于管道特性沒有改變，水泵特性發(fā)生變化（工作點為 C），軸功率與Q2CH3O所包容的面積成正比。故其節(jié)能量與CBH2H3所包容的面積成正比，輸入功率大大減小。 如圖3所示：

圖3 變頻調(diào)節(jié)水泵流量

正如前面提到的，軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。采用變頻器進行調(diào)速，當流量下降到80%時，轉(zhuǎn)速也下降到80%，而軸功率N將下降到額定功率的51.2%,如果流量下降到60%,軸功率N可下降到額定功率的21.6%,當然還需要考慮由于轉(zhuǎn)速降低會引起的效率降低及附加控制裝置的效率影響等.即使這樣,這個節(jié)能數(shù)字也是很可觀的,因此在裝有風機水泵的機械中,采用轉(zhuǎn)速控制方式來調(diào)節(jié)風量或流量,在節(jié)能上是個有效的方法。
二，變頻調(diào)速所實現(xiàn)的二次節(jié)能
變頻調(diào)速自動根據(jù)負載情況調(diào)整輸出電壓，通過對電機的最佳勵磁，有效地降低了無功損耗，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低電機工作噪音, 延長電機使用壽命。
電動機的總電流(IS)為電機勵磁電流(IM)與電機力矩電流(IT)的矢量和, IS和IM夾角的余弦值即為電動機的功率因數(shù);
電機勵磁電流決定于加在電機線圈上的電壓, 在工頻狀態(tài)下, 交流電壓為380V恒定不變, 因此勵磁電流也不會改變;
在變頻狀態(tài)下, 變頻器自動檢測負載力矩, 根據(jù)實際負載決定輸出電壓, 因此在負載較低的時候自動降低輸出電壓, 以維持最高的功率因數(shù).
由于變頻器自動降低了電機勵磁電流, 使得輸出總電流明顯低于工頻工作的總電流, 節(jié)約了線路中的損耗和無功功率的損失;
這個功能在丹佛斯VLT系列變頻器中稱為AEO功能(Automatic Energy Optimization, 自動節(jié)能功能).