课程设计 变频调速技术的应用现状和发展

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电机输入频率，从而使水泵转速改变.例如，在非高峰供水时，水泵减速运行，从而使水泵输入功率减少，达到节能的目的.这就是变频调速供水节能的基本原理. 2.2 变频调速器的自动控制

变频调速器可以手动控制也可以自动控制.自动控制信号采用4～20 mA电流信号或0～5 V电压信号；采用闭环控制的方法可以更好地满足自动控制的要求(如图1).流量仪表的气动信号经气电转换器变换为4～20 mA的电流信号,由变频调速器的控制端进而来控制电动机的转速以改变流量.如果采用的是电动仪表，变频调速器试用又证明是可靠的，那么图中的气电转换器、三通气开关以及气动调节阀都可省去，从而控制系统大为简化.而且流量控制的精度比已往的气动调节阀控制高.根据要求，变频调速器也可采用温度控制、压力控制或各种信号的综合控制.

图1 变频调速器自动控制示意图 Fig.1 Scheme of VVVFI control

2.3 与阀门调节相比变频调速的节能分析

采用变频调速器后，将泵和管线的阀门全开，用改变电机电源频率的方法来改变电机转速，进而改变流量.图2为水泵以阀门控制或调速控制时流量Q与扬程H的关系曲线（假设管路末端压头为零）.

图2 变频调速器的节能原理图 Fig.2 The principle diagram of VVVFI for the save of energy

图2中：曲线1为泵在转速为n1时的Q-H性能曲线；曲线2为管路阻力特性曲线;曲线3为关小阀门，流量为Q2时的管路阻力特性曲线;曲线4为泵在转速为n2时的Q-H性能曲线;A，B，C为水泵的工况点.

泵消耗的轴功率为 P=γQH/η ,(5)

式中：γ为流体容重；η为泵的效率.

由式（5）可知，轴功率与Q，H的乘积成正比.因此在工况点A，轴功率与Q1，H1的乘积面积AH1OQ1成正比.根据工艺要求，当流量从Q1减少到Q2时，如采用阀门调节方法相当于增加管路阻力，使管路阻力特性变到曲线3，系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行．从图2中可以看出，压头反而增加为

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H2，轴功率与面积BH2OQ2成正比，显然减少不多.如果采用转速调节，转速由n1降到n2.泵在转速为n2时的Q-H性能曲线如曲线4所示，可见在同样流量Q2时，压头H3大幅度降低，功率（与面积CH3OQ2成正比）明显减少，节省的功率与面积BH2H3C成正比,很显然节能效益显著.即便考虑到因转速的降低而引起效率的降低及附加控制装置的效率的影响等，但节电效果仍十分明显.此外，电机消耗的功率不仅决定于泵，还和调速的方法有关.如果电动机的滑差损耗很大，节电效果就大打折扣了.变频调速器是一种高效调速装置，它与滑差调速、液力偶合器调速不同，没有滑差损耗，本身的固有损失仅为1%～2%，因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于泵的轴功率.对泵、风机等流体机械，流量或风量是与转速成正比的，而轴功率是与转速的立方成正比的，因此 P=(n/ne)3Pe=(Q/Qe)3Pe ，(6)

式中：ne，Qe，Pe分别为泵的额定转速、额定流量和额定轴功率. 由式（3）可知，采用变频调速时，变频器消耗功率为 P变频 =P=(Q/Qe)3Pe .(7)

如果采用阀门调节，电动机消耗功率近似为 P电 =（0.4+0.6Q/Qe）Pe .(8)

从式（7）和式（8）可见，当流量Q变为额定流量的50%时，采用变频调速时消耗功率为0.125P e.采用阀门调节流量时，电动机消耗功率0.7Pe，节电率为82.1%，节电效果是很可观的. 2.4 在空调水系统中采用变频器的节电效果

在一大型商场的空调水系统中，采用一台37 kW的水泵及一台变频器，经测试后，变频调速消耗功率为9.42 kW(f=28 Hz),阀门调节控制消耗功率为36.42 kW,节电率为74.1%，年节电量为21.6 万kW.h,电价按0.5 元/(kW.h)计，则年节约资金为10.8 万元；若选用价格为3.85 万元的VFA-050-3型变频器，则静态投资回收期为4.3个月.

3 结 论

理论和实践证明，在空调水系统中采用变频器具有显著的节能效果.在空调风系统中变频器控制空调风机的运行节电率可以达到39%［2,3］.除此以外，变频器还可用于锅炉补水系统、供热外网以及制冷系统中，同样都可以起到比较显著的节能效果.事实上，变频器除了可以节电以外，还有许多优点.由于变频器采用微机控制，具有16种电压-频率特征曲线可供选择，因而拖动各种不同性质的负荷均能进入最佳运行状态.电机的加速和减速时间能根据负荷的要求来调整，在启动运行过程中做到了软起动，避免了泵的抽空现象.变频调速又属于无级调速方式，在运行稳态过程和运行调节过程中能起到显著的节能效果.此外还可降低起动电流，提高功率因数，对电机有多种保护功能.但变频器也有缺点，比如变频器对智能控制的电信号有干扰、价格较高等.目前，变频器的可靠性在不断提高，价格也有所降低，而且对于三相异步电动机加装变频器无需改变电路结构，所以它在暖通空调系统中必将得到广泛应用.

二、变频调速技术实验研究及其应用分析

1．概述

我国的能源供应还很紧张，最大限度的利用能源是一种客观要求。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。 近年来变频技术被广泛的应用在生产、生活的各个方面，就是由于使用了变频技术可以大幅度提高能源的利用率。 2 变频调速

2.1 变频调速的基本原理

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在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器,由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。在其工作时首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电,脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下,用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源,输出到需要调速的电动机上。由电工原理可知电机的转速与电源频率成正比, 通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速,实现平滑的无级调速。

2.2 电动机调速与节能的关系

风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)2 P1/P2=(n1/n2)3

上述式子中Q1、H1、P1分别代表转运n1时的流量、压力、功率。Q2、H2、P2、分别代表转速n2时的流量、压力、功率。即流量与转速的一次方成正比：压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。

由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。例如：当转速降到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的(80%)3≈51%；若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的(40%)3≈6.4%。 风机(水泵)调节流量，可行的方式有两种：

第一种方式是保持电机转速不变，通过调节风阀来调节流量。此时风机的对H-Q特性曲线不变。而风阀开度发生变化，即管路的阻力特性发生了变化，即管路阻力增加。

第二种方式是管路的阻力特性保持不变(即风门不变)，通过调节电机的转速来调节流量。 这种方法所消耗的功率相对于第一种要小得多。调速是控制风机、水泵节能的相当有效的措施。

风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。

2.3 电机在不同频率下运行的节电效果：P=N3 ( 仅供参考) 1．频率下降10%情况下的节电率：1-(1-10%)3=27.1%； 2．频率下降15%情况下的节电率：1-(1-15%)3=38.6%； 3．频率下降20%情况下的节电率：1-(1-20%)3=48.8%； 4．频率下降25%情况下的节电率：1-(1-25%)3=57.8%； 5．频率下降30%情况下的节电率：1-(1-30%)3=65.7%；

如果电机运行频率长期稳定在30%以下，且远期负载无扩展趋势，建议更换电机拖动系统，经济上更合算。 3.变频调速技术节省能源：

3.1 传统的控制流量的办法是用阀门控制，而用阀门控制流量从100％流量减到70％流量时能量只减少2％。而用变频调速控制以后，同样的降到70％流量，能量下降了52％，从而使系统的效率大为提高。国外资料表明：当工作点位于最大流量的80%时，使用风阀将消耗电机能量的93%，导流叶片消耗为70%，涡流联轴器消耗67%，而变频器消耗51%，差不多是风阀的一半；当气流量降至50%时，变频器只消耗15%，而联轴器消耗为29%，导流叶片消耗为49%，风阀为73%。这显示出在输送相同气流量情况下，风阀消耗的能量几乎是变频器的4倍。 3.2 应用变频器调速的其它好处：

(1)、减少噪音，对风机来说降低转速的同时，噪音大幅度降低。

风机噪声抑制公式：(dB)551og( 速度1/速度2),速度从100％降到50％的噪声降低量为：55×1og(1500/750)=55×0.30=16.5dB噪音电平降低了16.5分贝,这是一个很显著效果。

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(2)、设备软启动，消除了起动冲击。

感应交流电动机的启动电流可以达到满载电流的7倍多，即便是采用Y-△起动也会达到4.5倍。所有启动方式都必需考虑到接通电源瞬间对电网的冲击，电机越大冲击越大，这就不得不加大相应供电设备的供电能力来承受冲击。而使用了变频器后则不然，它没有了启动冲击，起动电流由零开始随着负荷增加而逐步上升，不管什么时候它都不会超过满载电流，而且起动时间还可人为设置，平稳地达到预设速度。 (3)、高功率因数：

供电局对用户功率因数有严格要求。当低于90％时用户必需采取补偿措施，否则将罚款，反之则可受奖。而使用变频器后功率因数可接近1，免除了功率因数的补偿。 (4)、改善机械性能：

减小机械磨损。起动时间和停车时间均可设置，使运行平稳。消除了启动时的皮带打滑尖叫损坏皮带。延长了机械的使用寿命。 (5)、变频器有完善的保护：

由于变频器普遍使用了智能控制，所以保护十分完善。电气上的常规保护全都包括，而且还有许多例如：电机/电源缺相；相间短路；接地故障；过/欠电压；变频器/电机过热；过速/低速报警；过载/空载报警等等保护。

(6)、操作简捷直观：

变频器设有显示屏，可迅速而简单地进行所需要的调试，编程及查询工作，显示器能提供有关变频器，电机和操作状态的信息。其中包括转速、频率、负载、千瓦小时、运行时间、报警状态等等。 (7)、变频器具有通讯功能：

现在不少变频器都具有工业网络通讯功能。例如标准的RS--485通讯。这就可方便地纳入BAS等网络的集散控制系统。 4.实验

4.1 实验装置及仪表

本实验的基础是大流量空气分布器动力性能试验台，其可测风量为9000m3/h。系统空气流量测量段按国家标准设计：(1)流量测量装置由接收室和排放室组成，两室之间由带喷嘴的隔板分开。(2)喷嘴之间的中心距离大于较大喷嘴喉部直径的3倍，排放室或接受室侧壁到最近任一喷嘴喉部直径的中心距离大于喷嘴喉部直径的1.5倍。(3)在接收室和排放室中安放均流器，其均匀的孔眼面积占流通面积的40%。(4)由于喷嘴装置及其设备的连接部分处于密封状态，检漏实验证明空气的渗漏量不超过被测空气流量的1%。以上几条保证本实验精度，其测量数据具有很高的研究价值。本实验风机选用了4-72型Ne-5A离心通风机1台，标牌名义风量和风压分别为8480-12720m3/h及1138-785Pa,风机的电机功率为4kw，电机型号为Y112M-4，为了能任意调节风量，实现无级调速，采用了SVF113-380A(日产)变频器。

本实验测量仪表采用了DT6234光电转速表测风机的转速，ZBY215-84空盒气压表测大气压力，二等标准水银温度计测空气温度，YYT-200B斜管压力计测喷嘴前后的静压差，DT862-4型功率表测风机的功率。为了更好的利用数据，本实验记录了当时测量时的大气压强、环境温度、进气口及出气口的温度。 4.2 计算公式

为测量大风量，采用了多个流量喷嘴组合的风量测量装置。本实验共用了1个Ф70mm的喷嘴，2个Ф100mm的喷嘴，2个Ф150mm的喷嘴。采用压差法进行流量的计算，计算公式为： Qn =CnAn(2△P/ρn)1/2 (1)

从(1)式中：Qn为通过流量喷嘴的体积流量，(m3/s)；系统总送风量等于通过各流量喷嘴的风量之和；An为喷嘴的喉部面积，(m 2)；△P为喷嘴前后静压差，(Pa)；ρn 为通过喷嘴的空气密度，(kg/m3)；Cn为喷嘴流量系数。 从(1)式可知，为

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