变频调速与节能

3.变频器的节能应用

3.1.实例一：变频空调节能的实现

3.1.1.现实状况

在当前，许多商业宣传都说变频空调具节能效果。那实际使用情况到底如何？好奇心使本人在工休时段对本公司内的部分员工进行了随机口头查讯，几乎谁也不怀疑变频空调的节电性能；但问及怎样使用才能实现节电时，又时100%地知道给定温度调高些；进一步问及你家使用的空调是否是间断运转时，近50%的回答说“不”；30%的说不清楚；约18%的说应该有间断运转的；另有约2%的人没回答。那么这说明了至少有50%的空调用户的空调制冷容量配置不合理或没有正确使用。也就是说这50%的空调用户即便使用了变频空调也非但实现不了节能，还将承担变频器带来的额外能耗。

3.1.2.适用条件

这应该不是变频空调产品的质量问题，而是因为你家在配置变频空调时，制冷能力配小了。要使变频空调实现节能的首要条件是空调的制冷能力略大于房间需要能力，让空调能实现间断工作的可能便可，即将变频空调置于一个可实现变工况的工作环境中。这一现象在单位中更为突出（变频的多联中央空调则此现象要好许多）。

那房间空调配多大合适呢？就此地提供一个本人经过多年多次的验证的估算值；一般民用房间空调的制冷能力按“50w/m³~60 w/m³”，办公室取“50w/m³~75 w/m³”，会议室取“120 w/m³”，以上取值可使室内维持在25℃左右；荫凉库取“165w/m³~180 w/m³（16℃左右）”计算便可。顶楼/朝阳面取大值（顶层若无吊顶的还应略为加大），中间/背阳面取小值。

3.1.3.小结

这个实例说明，并不是你买了变频空调就一定能为你省钱的；只有在适合它的工作条件之下才会有期望的效果，不然产生额外的电能消耗也说不定。

3.2.实例二：变频调速与经济实用

    提到风机水泵类设备的节能技改，人们便会想到采用变频调速技术。但设备工况相对稳定时，是否一定要采用变频调速技术要实现节能技改，答案是否定的。下面便是这样的一个实例。

 3.2.1.设备概况

公司污水处理站有四台罗茨爆气泵（罗茨风机），它们的具体参数如下：

罗茨风机型号：3L22wG；额定转速：2000r/min；供气能力：5.5m³/min；配用Y132M-4，1500r/min，7.5kw三相380v的三相鼠笼式异步电动机，三角皮带拖动，额定电流为15.4A。

注：因电机铭牌未标明cos￠、η的值，因此按常规取值cos￠=0.85, η=0.85

这四台罗茨风机分为二组，运行方式为一备一用， 24小时常年连续轮运（即常年保持有二台连续运转）。它们分别为二组处理能力为120吨的分解槽中的好氧菌供气，现埸运行电流为AC395v、13A（实测）。由于公司生产设施尚未取得GMP认证而没有全面展开，因此污水处理量明显不足。

从上述实测运行数据可看出，一方面设备处稳定轻载状态；另一方面由于污水量的不足而很可能使分解槽中爆气量处超量供气（超量供气对好氧菌虽无害处，但白白消耗电能）。于是报经公司同意，着手对其进行节电改造。在方案制订阶段，请质检部门对污水站污水处理过程的耗氧量进行了详细测算后发现，就当时生产未开展的时刻污水池的爆气量仅需0.3m³/min（最小值），在生产展开后污水池的爆气量为3.7 m³/min，此数据远小于5.5 m³/min；可见就当前定值为5.5m³/min的供气设备对当时公司污水分解槽爆气供给量来讲，可大幅度减少。因此，重新适当配置小于5.5 m³/min的供气设备就可有效地降低电能消耗。但一方面在当时一套罗茨泵售价为1.8万元左右；另一方面在生产展开后的污水池的爆气量也接近5.5 m³/min（为确保好氧菌的活性，应有一定的超供能力）。因此决定保留设备并对其适当改造。

3.2.2.节电潜力

首先，以此需量为前提，对电动机的经济运行功率值按GB12497《三相异步电机经济运行》强制性国家标准实施监督指南要求进行配置校验，其推算如下：

在供气为最大量及最小量时，供气设备需要轴功率为：

最小量时；P_L = [0.45+0.55（ ）²]P_e        （3.2-1）

=[0.45+0.55（  ）² ]*7.5

                          ≈3.4kw

安全系数取1.2时爆气泵实用功率为：

3.4*1.2≈4.1kw。                     （3.2-2）

  最大量时；  P_L =[0.45+0.55（ ）²]P_e

=[0.45+0.55（ ）² ]*7.5

=5.24kw                       

安全系数取1.2时爆气泵实用功率为：

5.24*1.2=6.3kw。            （3.2-3）

式中：P_L--------------电动机经济运行功率（kw）；

P_e---------------原电动机功率（kw）；

      Q---------------风机实际流量（m³/min）；

Q_n--------------风机额定流量（m³/min）；

          0.45/0.55------运行系数；

较现实可实现节电能力为：

由电机功率计算式(轴功率)p= UICos￠ 得P/ = UICos￠，而 UICos￠即电能提供的有功功率，据此可推算出电动机的电能消耗，现演算如下：

最小量时：    W= t

=（ ）*1

=4.8（kwh）              （3.2 -4）

最大量时：    W= t

=（ ）*1

=7.4（kwh）               （3.2-5）

改造前耗电情况为:

P= UICos￠

 = *395*13*0.85*0.85

 =6.4kw

即6.4*1.2≈7.5kw           （3.2-6）

W= t

=（ ）*1    （暂不计入备用余量）

=7.5（kwh）               （3.2-7）

式中：t-----------时间(小时)；

η-----------电动机效率（0.85）；

                W-----------电能（kwh）；

                P-----------电机机轴输出功率；

从这演算至少说明了三个问题：一是说明厂商对该供气设备的动力配置情况基本合理, 但与现埸工艺状况配套设备偏大,因而使设备负载偏轻；二是从这里佐证了当初该爆气系统设备无需更换(换小)的结论是正确的。事实上无论现在还是将来生产全面展开后的污水处理量均在最大量以内。三是对其改造确有节电潜力可挖。二台供气设备年运转小时数为2台*24小时*365天时，节电量应该是非常可观，效益自不必说了。

该二罗茨风机它最大可实现的年最大节电能力为：

W=2*（7.5-4.8）*24*365

 =47304kwh；            （3.2-8）

就公司当时综合电价为0.87元/kwh计，年节支47304*0.87=41154元/年。

当然，为了爆气系统有一个较宽的适用范围，避免供气不足或频繁改装，工作点不能设在最小处理量上，因而实际节电量会少于以上计算值。

3.2.3.实施方案

3.2.3.1.变频调速控制

该方法是在现有设备上加装变频器，可使电动机实现随罗茨风机负载变化而变的功率输出，加装流量变送器后可实现精确跟踪，适应范围宽；国内外己有许多成功的例子可参照，改装前几乎无需测试，技改成功率高，节电效果也最为理想。但改装、维护复杂，改装技术要求高，改装资金也最多；购置7.5kw四台变频器约需13000多元（国产），整个技改成本约需2万多元（含人工费）。资金投入大，且回收周长（约一年才可收回技改成本）。

3.2.3.2改电机为△启动,Y运行的特殊运行方式

（1），适合转速选择计算：

从罗茨风机工作原理及爆气需量的介绍中可知，该泵的出口流量可大幅减少，而该泵的出口流量与它的转速及泵输入轴功率与单位排气流量成正比，属容积式风泵。因此，从以上数据可推出该风机的每转供气量为：

             (3.2-9)

考虑到公司生产展开后的需求，爆气量取最大量并留20%的储备量；

罗茨风机的转速应为：

     (3.2-10)

（2），罗茨风机的轴输入功率校验；

将电机改为△启动,Y运行后，从△/Y降压启动方式的原理中知道，电机功率也将下降许多，是否适合罗茨风机转速1614r/min时的运行要求？

对配用电机来讲，虽然在△启动,Y运行后它的轴输出功率要小许多，但它的铁芯可提供的电磁功率乃可达7.5kw，也就是说我们可将电机置于需要的功率点上工作，前提是电机相电流不大于8.8A。如果可行，电机运行方式己不是标准的△启动,Y运行方式了，而是△启动,Y降压调速的运行方式了（如图二示意）；因而它的运行转速也将略小于1480r/min。即电机运行方式改为△启动,Y运行的特殊运行方式时，在Y接线方式下它的轴输出功率应能附合要求，相电流不大于8.8A、转速满足罗茨风机要求的1614r/min且稳定、绕组不过热等等，否则不能正常运转。

与此对应的罗茨风机轴功率需求计算式求得：

      N=ΔP Q /12240ηη=(兀入D²L/12240ηη)⊿Pn       (3.2-11)

在此(3.2-11)式中[(兀入D²L/12240ηη) ΔP]是这种泵型制造常数，对于在用同一泵来说，约是个不变量（由于转速变化，ΔP所以会有一些稍微不同），因此可变量仅为N及n二项，故在此令[(兀入D²L/12240ηη) ΔP]= g，算式(3.2-11)可表达为：

N= g n；                (3.2-12)

因此可得：

改装前后关系可表达为：   g=N_7.5/ n _7.5      

                                                g=N_改/ n_改         

比较整理二式得：          N_改=N_7.5 n_改/ n _7.5

各值代入得：          (3.2-13)

对于拖动电机的额定功率一般应大于机械负载需求功率加上安全系数。因此，如前述得技改后的配用电机功率为：

 6.05kw*1.2=7.26KW         (3.2-14)

式中：N_7.5---当前罗茨风机要求的输入轴功率（7.5 kw）；

N_改--- n_改转速时罗茨风机要求的输入轴功率（kw）；

n _7.5----当前泵轴转速（2000 r/min）；

n _改----在N_改kw时泵轴需要的转速（r/min）；

g ---泵型制造常数；[(兀入D²L/12240μμ)⊿P]= g；

ΔP-----罗茨风机进/排压差；

Q------泵排气口流量；

ηη----分别为容积和机械传动效率；

电机安全系数取1.2陪；

由于罗茨风机转速仅为1614r/min，因采用皮带传动，通过适当的变速比选择后（＜1480r/min）仍可用，但电动机绕组将会过载（实测为13A），因而不可用。好在此校验量是在污水最大处理量了，电机等可恢复原来的运行方式了，因此原电机仍可继续使用。同理可算出污水最小量时的相关量了。

3.2.4.改装实况

为此借调了相应的变频器实测在电机绕组Y接线方式相电流为8.9A时罗茨风机的转速，根椐水槽内实际供气效果，兼顾罗茨风机在低速时内部间隙的流量损失后，确定罗茨风机转速为1200r/min。改装完成后实测电机电流为8.7A，接近绕组额定电流，因而Cos￠也较前相当(实测为0.89)。从而成功地将7.5kw的△接法运转的电机转换为Y接法运转，使电机功率大幅降低，从而实现了节电目的。

这里需补充说明的是电机转速没有下降太多，故本身冷却不是问题。

由于篇幅关系，实际节能状况前面已有定性分析，在此数据略过。

该技改项目是08年3月改装完成，历时10天，整个改装仅花了二千多元（才500多元一套），是采用变频器的十分之一。投运至今己有四年半，当初确定的排气量的选择使今天生产基本正常后还能胜任污水处理需要的供气量。就维护维修来讲，非但没增加工作量和费用，反而节约了四套轴承（每机一套），即从原来约二年换一套，到四年半乃不需更换。

3.2.5.小结

这个实例说明了并非只有变频调速才能节能这一招，假如使用变频调速，是可实现节能，但由于设备工况的相对稳定，又是长年连续运转，则节电效果及经济性会打一个很大折扣。因此说，在对设备确定节能技改方案时一定要充分了解分析设备当前的实时运转状况，应尽量选用经济的且简单有效的方案，并留出一定的变化空间，以避免效果不佳或频繁改动。

3.3.实例三：冷冻水泵变频调速的节能原理

许多风机、水泵的拖动电机处于恒速运转状态，而实际生产中的风、水流量要求往往不在量产定型离心泵铭义参数给定的工况下工作，甚至处于变工况状态下运行；况且还有许多设备在进行系统配置设计时，设备选型时为降低配套成本，往往总是选择市场量产定型产品进行配置，为保证设备的给定的铭义出率，大多容量选择得偏大采用，系统匹配留有储备余量，这往往在实际生产中会“大马拉小车”，造成大量的能源浪费。因此，搞好这方面节能工作，对企业效益具锦上添花之意义。

3.3.1.项目简况

本系统由二台10kw陶瓷离心泵作为生产工艺设备的冷却水循环驱动泵分别为二个管路系统闭路循环供水，运转方式为互为备用（设联络管阀），将-30℃的冷冻水送往各个设备降温用。由于生产工艺各不相同，需冷却要求也不同，因而水泵循环流量经常处于最大量与最小量之间的不同工况下工作。在以往的工作中常常是采用阀门节流或傍路来控制流量（如图三所示），这使循环泵流量很大或很小的不确定状态（根据物料温度随时需要调节）；时常还有零流量的情况出现，为避免闷泵现象，在管路系统中设有一维持一定流量的傍路回路（约额定量的15%），这个回路使泵电动机产生了许多空循环耗电。这一运转特点，即便使用开环的变频调速也不能实现既节电又满足生产工艺要求；因此一直让其在自然状态下运转。针对这一情况，用近半年跟踪、记录、研究并向公司提交了以冷冻水循环总管的压力为主要目标的闭环变频调速技改节电方案，于10年7月就设备大修时机对其中一台着手改造并投运，从材料采购到调试投运，历时近20天，取消了管路系统中维持量回流傍路管路（关闭阀门），泵也不象原来那样满载运转了。虽然没有实测节电效果（因恢复生产要求摧促），但就取消维持量回流傍路管路一项，相信该有成效。具体构成如（图四）所示。

是什么原因会使水泵采用变频调速后具节电效果呢？现分析如下：

3.3.2.管路特性

当离心泵安装在既定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，即在输送液体的过程中，泵和管路是互相制约的。所以，在讨论泵的工作情况之前，应先了解与之相联系的管路状况。

在（图五）所示的输送系统中，为完成从低能位p1处向高能位p2处输送，单位重量流体所需要的能量为He，则由柏努利方程可得：

            （3.3-15）

式中：H_e------将单位量液体由1移至2所需的能量；

Δp-----将单位量液体由1移至2所变化了的压力；

Δu-----通过该管路的流量；

H_f------将单位量液体由p1移至p2所产生的能量损失；

Ρg------仅与该管路系统有关的常数；              

△u²/2g-------流体动能值（u----流速）；

ΔZ-----实际总压头；

一般情况下，动能差Δu²/2g项可以忽略，阻力损失

      （3.3-16）

其中

式中Qe——管路系统的输送量，m3/h                                         

故

或

              （3.3-17）

式中系数k

其数值由管路特性所决定。当管内流动已进入阻力平方区，系数K是一个与管内流量无关的常数。将式3.3-17代入式3.3-15，得

            （3.3-18）

在特定的管路系统中，于某一时刻固定的条件下操作时，ΔZ与Δp/ρg均为定值，上式可写成

He=A+KQe²         （3.3-19）

由式3.3-19看出在特定管路中输送液体时，管路所需压头He随液体流量Qe的平方而变化。据此关系可获管路特性曲线如(图六)示意。它与管路布置及操作条件有关，而与泵的性能无关。

3.3.3.离心泵的流量调节

如果工作点的流量大于或小于所需要的输送量，应设法改变工作点的位置，即进行流量调节。具体方法有以下几种。

3.3.3.1.改变阀门的开度  

 改变离心泵出口管线上的阀门开关，其实质就是改变管路特性曲线。当阀门关小时，管路的局部阻力加大，管路特性曲线变陡，如(图七)中曲线1所示，工作点由M移至M₁，流量由Q减小到Q₁。当阀门开大时，管路阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，如图中曲线2所示，工作点移至M₂，流量加大到Q₂。

用阀门调节流量迅速方便，且流量可以连续变化，适合连续变化生产的特点。所以应用十分广泛。缺点是阀门关小时，阻力损失加大，管路能量消耗增多，不很经济，这是可实现经济节能的主要因素。                      

3.3.3.2.改变泵的转速   

改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线。泵原来转数为n，工作点为M，如(图八)所示，若把泵的转速提高到n₁，泵的特性曲线H－Q往上移，工作点由M移至M₁，流量由Q_M加大到Q_M1。若把泵的转速降至n₂，工作点移至M₂，流量降至Q_M2。这种调节方法能保持管路特性曲线不变。当流量随转速下降而减小时，阻力损失也相应降低，看来比较合理。但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机而复杂，维护维修工作要求也很高，故实际生产设备中很少采用。                                                                                                                        

从上分析可知，在半导体变频器问世前要通过改变泵叶轮转速实现泵与管道系统的特性匹配来达到节能是较困难而复杂的。由于阀门节流简单而赚价，采用调节阀门开度来实现流量调节几乎已约定成俗，被大量采用。因此风机、水泵类设备的节能大多局限于制造时提高风机、水泵本身的效率上。在当前半导体变频器大量应用的今天，在技术上已无障碍，而且安装使用维护都较简单，况且单从经济角度来讲已有足够理由了。

另外尽可能使管路系统合理安排，采用管阻小的复合材料等方法也可降低管路损耗，但仍然采用节流流量控制的话，由上面分析可知，其节流操作所产生的损耗还是无法避免。

3.3.4.变频调速节能的实现                                    

用调速控制时，当流量要求从Q_m减小到Q_m1，由图八可知，其阻力点不变，即管路系统特性不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从N100降到N80，运行工况点则从M点移到M₂点，扬程从H₀下降到H₂，流量Q_M下降到Q_M2。

根据离心泵的特性曲线公式：                                 

P＝QHr／102η                 （3.3-20）

式中：P——水泵使用工况轴功率（kw）

Q——使用工况点的水压或流量（ｍ³／ｓ）；

H——使用工况点的扬程（ｍ）；

r——输出介质单位体积重量（kg／ｍ³）；

η——使用工况点的泵效率（%）。

可求出运行在B点泵的轴功率和C点泵的轴功率分别为：

P_B=               （3.3-21）

P_C=               （3.3-22）

两者之差为：

Δρ＝PB－PC＝        （3.3-23）             

也就是说，用阀门控制流量时，有△P功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，根据流量Q、扬程H、功率P和转速N之间的关系，以及离心风机、水泵类设备的比例定律，即：

可知，流量Q与转速N的一次方成正比；扬程H与转速N的平方成正比；轴功率P与转速N的三次方成正比，即功率与转速成3次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，从而获得节能效果，这就是水泵调速节能原理。变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系：     

N=           (3.3-24)

式中：ｆ——水泵电机的电源频率（Hz）；

ｐ——电机的极对数；

N-------电动机转速                                           

由(3.3-24)式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。

3.3.5.小结.

该实例再次说明了变频调速在水泵运转中为什么能节电的原因及原理。介绍说明了节能潜力在于通过优化操作方式及改造设备，使泵运转特性匹配于工艺设备。在满足生产工艺的前提下，使设备间的良好匹配是我们一直为之追求的目标，而事实上很难做到，变频调速技术的应用就是实现现场人工无法实现的跟踪即时调节的手段。试想如果生产系统不具变工况条件时，显然无能可节。

由于本案利用了风机水泵专用变频器（深圳产正弦牌）自带的PID比例调节器，变频器内部设置参数达十几项，因此需参照相应的变频器用户手册反复修正其值才能使输出稳定，应避免使设备处超调和振荡状态下工作。

4.后记

通过三个不同类型的实例分别说明了一：虽然具节电功能的设备，如不加以科学应用，乃达不到节电的效果。二：是说明了节能措施并非一定要用变频调速技术，只要设备运转状态相对稳定且确实具节电潜力，则经济实用的方案应该是我们的首选。三：节能技改方案的制定，一定要通过详细的调查研究，认真分析的前提下，在满足生产工艺使用为前提时，再根据设备实际运转状况来制订，这样方可实现我们的目的。

变频调速在大部分设备上应用是有一定的节能作用，也取得了一定的成效。通过它可实现如提高功率因数，改善生产设系统的性能匹配，智能跟踪变工况的现场生产工艺，保护设备等，从而达到节能的目标。但变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。另外变频器的另一个软起动功能也可助我们实现节电，特别是应用在大惯量的、大功率的电力拖动中，可有效地降低设备的启动能耗，另一方面该功能还能降低机械设备的故障率，延长设备寿命的作用。

    参考文献；略。