風(fēng)機(jī)水泵壓縮機(jī)變頻調(diào)速控制節(jié)能與應(yīng)用(含工頻節(jié)流功率計(jì)算公式)

1、風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載變頻調(diào)速節(jié)能原理相似定律：兩臺(tái)風(fēng)機(jī)或水泵流動(dòng)相似，在任一對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的統(tǒng)計(jì)和尺寸成比例，比值成相等，各對(duì)應(yīng)角、葉片數(shù)相等，排擠系數(shù)、各種效率相等。流量按照相似定律，由連續(xù)運(yùn)動(dòng)方程流量公式： 流速公式： 式中：體積流量，；容積效率，實(shí)際容積效率約為0.95；A有效斷面積（與軸面速度垂直的斷面積），m；D葉輪直徑，m；n葉片轉(zhuǎn)速，r/min；b葉片寬度，m；圓周速度，m/s；排擠系數(shù)，表示葉片厚度使有效面積減少的程度，約為0.750.95；按照電機(jī)學(xué)的基本原理，交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式： 式中： s滑差； P電機(jī)極對(duì)數(shù)； f電機(jī)運(yùn)行頻率。流量、轉(zhuǎn)速和頻率關(guān)系式： 可見(jiàn)流量和轉(zhuǎn)速的一次方成正比

2、，和頻率的一次方成正比。揚(yáng)程按照流體力學(xué)定律，揚(yáng)程公式：揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速和頻率關(guān)系式：可見(jiàn)揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速的二次方成正比，和頻率的二次方成正比。式中：H水泵或風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程，m；功率風(fēng)機(jī)水泵的有效功率：每秒鐘流體經(jīng)風(fēng)機(jī)水泵獲得的能量。水泵：或 風(fēng)機(jī)：可見(jiàn)有效功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，和頻率的三次方成正比。式中：有功功率，w；流體質(zhì)量密度，；壓力，；電量風(fēng)機(jī)水泵效率：有效功率和軸功率之比。軸功率：電動(dòng)機(jī)輸出給風(fēng)機(jī)水泵的功率。軸功率（電動(dòng)機(jī)的輸出功率）公式：水泵風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)水泵的傳動(dòng)效率：電動(dòng)機(jī)效率：電量（電動(dòng)機(jī)的輸入功率）公式：水泵風(fēng)機(jī)節(jié)能工頻狀態(tài)下的耗電量計(jì)算Pd：電動(dòng)機(jī)功率；d：電動(dòng)機(jī)效率； U：電動(dòng)機(jī)

3、輸入電壓；I：電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流；cos：功率因子。 計(jì)算公式：Pd =UIcos然后將電機(jī)實(shí)際工頻下運(yùn)行的電流代入上面的公式，得出電機(jī)工頻狀態(tài)下的功率Pd。設(shè)備名稱一次風(fēng)機(jī)二次風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)功率因數(shù)0.80.780.78額定電壓（KV）101010工頻運(yùn)行電流（A）462225工頻運(yùn)行時(shí)功率（KW）637.4297.2337.74具體計(jì)算辦法：（以一次風(fēng)機(jī)為例）通過(guò)在系統(tǒng)電源進(jìn)線側(cè)用測(cè)電流的方法計(jì)算節(jié)電率Pd =UIcos=10460.8=637.4KW風(fēng)機(jī)設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Qn，Hn2，Pn3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸

4、功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過(guò)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，依據(jù)公式可依次求得風(fēng)機(jī)在采用變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)總功耗 。綜合考慮取電動(dòng)機(jī)效率=0.9、和變頻器的效率=0.96，則網(wǎng)測(cè)功率損耗節(jié)電率 =引風(fēng)機(jī)計(jì)算為例：風(fēng)機(jī)實(shí)際軸功率P=182 kW變頻網(wǎng)側(cè)功耗= 211 kW離心泵負(fù)載，采用出口控制流量的方式，電動(dòng)機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系為 ，式中Q為流量。流量 %1009080706050節(jié)電率 %022.541.861.571.682.1理論計(jì)算結(jié)果說(shuō)明變頻節(jié)能效果非常顯著，實(shí)際運(yùn)行中變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動(dòng)控制、無(wú)污染等明顯優(yōu)勢(shì)。變頻系統(tǒng)保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至

5、零流量供水時(shí)大量電能的浪費(fèi)問(wèn)題，從運(yùn)行控制上進(jìn)一步節(jié)能。電動(dòng)機(jī)節(jié)能第一章 節(jié)能概述電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵、鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、制冷機(jī)和車床等機(jī)械傳動(dòng)裝置及其他各類電氣設(shè)備，量大面廣的終端耗能大戶。電機(jī)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、被拖動(dòng)裝置、傳動(dòng)控制系統(tǒng)及管網(wǎng)負(fù)荷。圖1 制冷系統(tǒng)流程圖電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造的技術(shù)途徑主要有以下幾個(gè)方面：1 加速設(shè)備淘汰更新。加大力度對(duì)老舊設(shè)備的更新改造，堅(jiān)持使用國(guó)家推薦的節(jié)能型設(shè)備。2 改善電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式。推廣變頻調(diào)速、永磁調(diào)速等先進(jìn)電機(jī)調(diào)速技術(shù)，改善風(fēng)機(jī)、泵類電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機(jī)械節(jié)流調(diào)速方式。重點(diǎn)對(duì)大中型變工況電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速改造，合理匹配電機(jī)

6、系統(tǒng)，消除“大馬拉小車”現(xiàn)象。3 改進(jìn)工藝拖動(dòng)、牽引拖動(dòng)調(diào)速方式。以先進(jìn)的電力電子技術(shù)傳動(dòng)方式改造傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)方式，逐步采用交流調(diào)速取代直流調(diào)速。4 優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和控制。采用新技術(shù)、新工藝，完善電機(jī)系統(tǒng)控制，優(yōu)化運(yùn)行。推廣軟啟動(dòng)裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等，通過(guò)過(guò)程控制合理配置能量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。第二章 電動(dòng)機(jī)節(jié)能的基本概念圖2 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的能量傳遞圖2中電力變換器對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為靜止電力整流器，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為靜止電力變頻器。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的基本要求有兩方面：一方面要求構(gòu)成系統(tǒng)的每一部分，在完成系統(tǒng)所賦予的特定工作任務(wù)之外，均要降低損耗提高效率，然后提

7、高整個(gè)系統(tǒng)的效率；另一方面要求各部分的參數(shù)匹配協(xié)調(diào)，從而求得整個(gè)系統(tǒng)的最高效率。第三章 變頻調(diào)速對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響電動(dòng)機(jī)作為電力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，在變頻器供電的情況下，電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在很寬的一個(gè)頻率范圍內(nèi)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在非額定頻率并實(shí)施控制運(yùn)行時(shí)，其效率、功率因數(shù)、鐵損耗、銅損耗等性能參數(shù)與額定條件開(kāi)環(huán)運(yùn)行相比，發(fā)生很大變化。變頻調(diào)速系統(tǒng)會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生很多方面的影響，如啟動(dòng)性能的改善，諧波的影響等等。但其中改變最大的是電機(jī)的運(yùn)行狀況，電機(jī)已經(jīng)不總是運(yùn)行在固定的頻率和滑差下，常規(guī)的“額定”在變頻調(diào)速電機(jī)的運(yùn)行中失去了意義；同時(shí)，電機(jī)的效率和功率因數(shù)等主要性能發(fā)生改善，尤其是功率因數(shù)理論

8、上可以調(diào)整到0.9以上。第四章 調(diào)速節(jié)能的典型應(yīng)用電力傳動(dòng)系統(tǒng)中約有60%的應(yīng)用為風(fēng)機(jī)與水泵的應(yīng)用。以往由于采用恒壓恒頻電源驅(qū)動(dòng)，大部分風(fēng)機(jī)與水泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率為30%50%，其損耗占總發(fā)電量的38%以上。風(fēng)機(jī)調(diào)速的應(yīng)用：通常工業(yè)鍋爐上的鼓風(fēng)、引風(fēng)機(jī)是電機(jī)以定速運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過(guò)改變風(fēng)機(jī)入口的擋板開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量的。而風(fēng)機(jī)的最大特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，將電機(jī)的定速運(yùn)轉(zhuǎn)改為根據(jù)需要的流量來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)變速運(yùn)轉(zhuǎn)就可以節(jié)約大量電能。在中央空調(diào)、煉鋼廠、水泥制造、化纖等行業(yè)都用到風(fēng)機(jī)。在沒(méi)有調(diào)速控制之前，一般采用降壓?jiǎn)?dòng)，并且正常運(yùn)行后，電機(jī)全速運(yùn)行，而風(fēng)量的大小則通

9、過(guò)風(fēng)門來(lái)調(diào)節(jié)。一般情況下，風(fēng)門的開(kāi)度為50%80%，電機(jī)只能是滿負(fù)荷運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的工作效率很低，造成很大浪費(fèi)。變頻器的出現(xiàn)很好的解決了如何直接控制風(fēng)量的大小來(lái)滿足工況的要求這個(gè)問(wèn)題。變頻器是無(wú)級(jí)調(diào)速的，用變頻器改造風(fēng)機(jī)，具有以下特點(diǎn)：（1） 起動(dòng)停止平衡，無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。（2） 工作可靠，能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。（3） 操作簡(jiǎn)單，維護(hù)量小。（4） 輸出特性可滿足風(fēng)機(jī)性能要求。（5） 節(jié)能效果顯著。根據(jù)工作的情況調(diào)節(jié)調(diào)速器裝置的速度可以滿足工作的要求。另外，用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造不必對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行大改動(dòng)。因此，變頻器在風(fēng)機(jī)改造方面得到廣泛的應(yīng)用，在變頻改造的過(guò)程中，當(dāng)需要時(shí)，讓電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行以達(dá)到要

10、求。當(dāng)不在工作時(shí)，使電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)約電能。同時(shí)，可根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)變頻器，以滿足工作要求。其中，驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、爐排機(jī)的變頻器受燃燒控制系統(tǒng)的控制，控制器的輸出信號(hào)將控制相關(guān)的變頻器輸出頻率，以達(dá)到穩(wěn)定工況及提高鍋爐熱效率和節(jié)能之目的。以90kW風(fēng)機(jī)為例：（1） 改造前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：改造前的耗電量（全年運(yùn)行330天計(jì)）：（2） 改造后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：改造后的耗電量（全年運(yùn)行330天計(jì)）：（3） 每年節(jié)省電量：節(jié)電率：每年節(jié)約電費(fèi)，按計(jì)：對(duì)風(fēng)機(jī)改造表明：（1） 采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、改造方便、節(jié)能效果明顯、投資回收期短的特點(diǎn)。（2） 使用變頻器后，風(fēng)機(jī)可軟啟軟停、減少設(shè)備機(jī)械沖擊、

11、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、降低設(shè)備維修費(fèi)用。（3） 變頻調(diào)速技術(shù)先進(jìn)、成熟、提高了設(shè)備的技術(shù)含量。水泵調(diào)速的應(yīng)用水泵的流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比；揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比；軸功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，即功率與轉(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)轉(zhuǎn)速降下來(lái)，那么在輸出相同流量的情況下，原來(lái)消耗在閥門的功率（局部阻力）就可以完全避免，這就是水泵調(diào)速節(jié)能的原理。變頻調(diào)速的控制可以是自動(dòng)的，也可以是手動(dòng)的。目前，國(guó)內(nèi)在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)，大部分是在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，即人為的根據(jù)工藝或外界條件的變化來(lái)改變變頻器的頻率值，以達(dá)到調(diào)速的目的。系統(tǒng)主要由四部分組成：（1） 控制

12、對(duì)象：電機(jī)功率100kW，額定電流183A；水泵配用功率100kW，流量792，軸功率80.3kW，揚(yáng)程32.3m。（2） 變頻調(diào)速器：適配通用電動(dòng)機(jī)功率110kW，額定容量160kVA，額定電流210A。一般用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的混合的變頻器容量選擇的基本方法是：變頻器的額定輸出電流大于1.1倍電動(dòng)機(jī)的額定電流。（3） 壓力測(cè)量變送器（PT）：用于控制水管出口壓力，并將壓力信號(hào)變換成420mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再輸入調(diào)節(jié)器。（4） 調(diào)節(jié)器（PID）：輸入信號(hào)420mA，輸出為PID控制信號(hào)420mA。 系統(tǒng)的控制過(guò)程為：有壓力測(cè)量變送器將水管出口壓力測(cè)出，并轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)的420mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送到調(diào)節(jié)器

13、與工藝所需的控制指標(biāo)進(jìn)行比較，得出偏差。其偏差值由調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算得出調(diào)節(jié)信號(hào)，該信號(hào)直接送到變頻調(diào)速器，從而使變頻器將輸入為380V/50Hz的交流電變成輸出0380V/0400Hz連續(xù)可調(diào)電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機(jī)。水泵電機(jī)裝上變頻調(diào)速器后，節(jié)能效果顯著，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，比未裝變頻器節(jié)約53%左右的電能，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，采用變頻調(diào)速器前后實(shí)測(cè)的有關(guān)數(shù)據(jù)如表：參數(shù)狀態(tài)電機(jī)運(yùn)行電流（A）電機(jī)運(yùn)行頻率（Hz）水泵出口壓力（MPa）有功功率（kW）功率因數(shù)閥門開(kāi)度（%）閥門調(diào)節(jié)110500.7640.860變頻調(diào)節(jié)40300.3300.96100從表中數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果分析可知:

14、（1） 節(jié)能效果顯著，采用變頻調(diào)速技術(shù)后，提高了電機(jī)的功率因數(shù)，減少了無(wú)功功率消耗。（2） 采用變頻調(diào)速技術(shù)后，電機(jī)定子電流下降64%，電源頻率下降40%，水泵出水壓力降低57%。由于電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速普遍下降，電機(jī)水泵的運(yùn)行狀況明顯改善，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，由于變頻器起動(dòng)和調(diào)速平穩(wěn)，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。（3） 采用變頻調(diào)速技術(shù)后，由于水泵出口閥門全開(kāi)，消除了閥門因節(jié)流而產(chǎn)生的噪音，克服了平常因調(diào)節(jié)閥故障對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的影響，具有顯著的社會(huì)效益。（4） 系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調(diào)波動(dòng)范圍小，偏差能及時(shí)進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制精度高，能保證生產(chǎn)

15、工藝穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。（5） 由于變頻器具有十分靈敏的故障檢測(cè)、診斷、數(shù)字顯示功能，提高了電機(jī)水泵運(yùn)行的可靠性。壓縮機(jī)調(diào)速應(yīng)用壓縮機(jī)在工礦企業(yè)中應(yīng)用十分普遍。配套電動(dòng)機(jī)的容量一般較大，且大多是常年連續(xù)運(yùn)行的，故節(jié)能的潛力很大。壓縮機(jī)的主要控制對(duì)象的空氣的壓力，在冷凍或冷卻系統(tǒng)中，常常以溫度作為控制參量。常見(jiàn)的控制方式有：（1） 手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入或輸出的閥門開(kāi)度。（2） 用機(jī)械方式進(jìn)行自動(dòng)卸載與裝載控制。（3） 通過(guò)改變?nèi)~片的角度來(lái)調(diào)節(jié)壓力或流量等。壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速的必要性：從節(jié)能角度看：（1） 由于壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)載狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以，只能按最大需求來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的容量

16、，故設(shè)計(jì)容量一般偏大。在實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間所占比例是非常高的。如采用變頻調(diào)速，可大大提高運(yùn)行時(shí)的工作效率，節(jié)能潛力很大。（2） 有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度和改變?nèi)~片的角度等），即使在需求量較小的情況下，也不能減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率。采用了變頻調(diào)速后，當(dāng)需求量較小的情況下，可降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。（3） 節(jié)省潤(rùn)滑油，降低噪音。第五章 調(diào)速節(jié)能效果的合理計(jì)算節(jié)能效果計(jì)算的一般方法采用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)代替恒速運(yùn)動(dòng)能夠節(jié)能，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行計(jì)算首先要測(cè)取以下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：（一） 測(cè)取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1基準(zhǔn)線的建立（1） 節(jié)能改造前的設(shè)備數(shù)據(jù)。應(yīng)調(diào)查填寫被更換設(shè)備和電動(dòng)機(jī)的基本銘牌數(shù)據(jù)，包括電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、負(fù)載類型、工作時(shí)間、點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)、電機(jī)用途、安裝地點(diǎn)等。（2） 改造前電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)對(duì)要被替換的電動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)量并記錄其電流、電壓、功率因數(shù)、容量（kVA）、實(shí)際功率（kW）、轉(zhuǎn)速等。（3） 如果節(jié)能改