浅谈风机水泵调速节能》

一、前言
2006年以来，为认真贯彻落实科学发展观，把节能减排作为调整经济结构、转变发展方式的重要手段，加大资金投入，强化责任考核，完善政策机制，加强综合协调，使得节能减排工作取得重要进展。全国国内生产总值能耗累计下降14.38%，化学需氧量排放总量下降9.66%，二氧化硫排放总量下降13.14%。但要实现“十一五”单位国内生产总值能耗降低20%左右的目标，就要进一步加大工作力度，确保实现“十一五”节能减排目标。
早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。随着电力电子技术发展新时代的来临，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。近期发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近几年得到了迅速发展。
在我国工业生产、产品加工制造和日常生活中，风机、水泵是应用量大、涉及面广的通用机械，据国家有关部门统计，全国共拥有风机、水泵约3700万台，总装机容量约9000万KW，约占全国总用电量的31％，现行运转的多数风机、水泵工作流量远低于额定流量，工作压力远高于额定压力。因此多数采用挡板或阀门来调节流量，以满足那些不断变更流量的要求，采用这种方式运行，据统计至少浪费20％的电能，其节电的潜力是相当大的。
据调查，一般风机水泵平均运行在70％的额定负荷下，由流体力学知道，风机、水泵的流量与转速成正比、压力与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比，当流量减少或下降时，其轴功率按速度的三次方下降，例如流量减少到70％，速度下降到70％，则轴功率下降到额定功率的34.3％，如流量减少到50％，轴功率则减少到额定功率的12.5％。当然还应该考虑转速下降引起机械等效率下降及附加调速装置的损耗，但这些损耗都是不大的，因此风机、水泵用调逮控制代替节能控制是节电的有效途径。
二、风机水泵节能的措施及调速节能的原理
1、节能的措施
风机、水泵节能的主要措施有以下几种：
a、提高风机、水泵本身的效率
我国工业部门的风机、水泵运行效率比工业发达国家同类产品平均低20％左右，目前我国已研制了一批高效节能风机、水泵，其效率可达80％～90％，应用效率高的新产品代替效率低的老产品。
b、合理地选型配套
风机、水泵选型时要做到合理，使风机、水泵的运行压力和流量尽量接近额定压力和额定流量，并且使运行的工况点经常保持在高效区。
c、采用调速控制方式调节流量，减少节流损失。
工业上使用的风机、水泵约有50％要求调节流量，目前大多数的风机、水泵是采用挡板或节流阀来调节流量的，电能浪费十分严重，如果把所有节能情况下运行的风机、水泵改为调速控制，则节能的效果是非常显著的。
2、风机、水泵调速节能的原理
以风机为例来说明
a、风机参数及特性曲线
风量Q——表示单位时间流过风机的空气量（m³／s）。
风压H——当空气流过风机时，风机绐每立方米空气的总能量（J/m³）
功率N——风机工作有效的总功率
效率η——风机轴上的功率N，有一部分损失，可用效率这一参数来表示风机的优劣。
H-Q曲线——当转速恒定时，表示风压与风量的关系特性。（如图一）
当风机转速从n变到n1后，风量Q、风压H及轴功率N的变化关系如下式：
Q1=(n1/n)Q
H1=(n1/n)²H
N1=(n1/n)³N
b、调速节能的原理
风机进行调速控制与一般常用的调节风门控制凤量的方法相比，有着明显的节电效果，图二可以说明其节电的原理．
图中曲线1为风机在恒速下风压一一风量(H一Q)特性，曲线2为恒速下功率——风量(N—Q)特性，曲线3为管网风阻特性(风门全开)，假设设计时风机工作在A点效率最高，输出风量为100％，此时轴功力N₁与Q₁、H₁乘
积面积AQ₁OH₁成正比。根据工艺要求，当风量需要从Q₁降到Q ₂时(例于50％额定风量时)，如果采用调节风门的方法，相当于增加管网阻力、使管网阻力特性变为曲线4，系统由原来的工况点A变到工况点B。从图中可以看出，风压反而增强了，轴功率N2与BQ2OH2面积成正比的比例定律，画出在转速n2时的风压——风量（H-Q）特殊曲线5，可见在同样风量的情况下，风压明显下降，功率N3（相当于CQ2OH3）随着减少，节省的功率损耗△N=H·Q，与面积BH2H3C成正比，节能的效益是非常明显的。#p#分页标题#e#
三、风机水泵调速装置的选择原则
异步电动机的调速方法很多，从调速效率角度来看，可分为两大类：
    (1)高效调速装置，主要指电机转速改变时，基本保持额定滑差，无转差损耗的设备。(如变极对数调速，变频调速和无换向器电机调逮)或将转差功率回馈至电网或电机轴的设备(如串级调速)。
    (2)低效调速装置，主要指有滑差损耗的调速装置。(如转子串电阻、定子调压、液力偶合器，电磁调速等)。
    异步电动机的节能与调速方式有关，同时也与负载性质有关。
风机水泵类负载采用高效调速方式和低效调速方式随转速降低，输入功率都减少，都有节能效果。
图三表示 风机用高效、低效调速装置变速运行和挡板、闸门节流运行时的输入功率、效率曲线。
图中：
P1*——节流运行时输入功率标么值；
P2*·η2——低效调速运行时输入功率标么值、效率；
P2*·η3一一高效调速运行时输入功率标么值、效率；
PS*一一转差损耗功率标么值；
PJ*一一机械损耗功率标么值。
从图三中可以看出，随转速的降低（即流量减少）无论是用高效调速运行，还是低速调速运行，输入功率都有明显的下降，但二者的差别也是显而易见的，效率的差别也是明显的，低效调速运行比高效调速运行多增加了滑差功率损失PS，PS= P*（1-S）²S，其最大Psmax=0.148Pen(S=1/3)。
凡需要变流量运行的风机水泵，用调速方式代替节流方式，均能节电．但是，在选择调速装置时，要根据流量变化的范围，风机、水泵容量的大小，调速装置的技术复杂程度，价格的高低，维修的难易。对电网的污染等多种因素综合考虑，进行技术经济比较后确定。
风机水泵调速节能的效果与其容量的大小有关，一般认为电机在lOOkw以上时，应优先考虑节能效果，由于高效调速节能比低效调速节能一般多10％左右，电机容量大，绝对值就可观了。
再根据工艺的要求，由于风机水泵不能随意停止运行，选用变频调速带自动切换装置更为合适，采用变频调速技术无附加转差损耗，效率高，在调速装置故障时能切换至全速运行，节约能源是可观的。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。
 四、变频调速技术的基本原理
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 =60 f（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。
五、 变频调速系统
变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。
目前变频调速的主要方案有：交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闹管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。
六、结论
综上所述，变频调速技术在各行业中的应用所取得的节能效果是显而易见的。国家经贸委已将变频调速被列入重点实施的10项资源节约综合利用技术改造工程之一。《中华人民共和国节约能源法》明文规定，将变频调速列入通用节能技术加以推广。 “逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节能和电力电子技术”、“提高电能利用率”，因此由于变频调速节能效果显著，是解决目前能源紧缺问题的最佳手段。