风机水泵的变频调速节能分析

节能降耗、增加效益是全社会应为之努力的方向。我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。应用于风机、水泵等设备的传统方法是通过调节出口或入口的挡板、阀门开度来控制给风量和给水量，其输出功率大量消耗在挡板、阀门地截流过程中。另外，由于在通常的设计中为了满足峰值需求，水泵选型的裕量往往过大，也造成了不应有的浪费。根据风机、水泵类的转矩特性，采用变频调速器来调节流量、风量，将大大节约电能。下面就分析一下在风机水泵类负载中使用变频器所能达到的效果。
一，通过变频调速达到的一次节能
下面以水泵为例来说明，由图1可以看到：
流量Q正比于转速n
压力H正比于n2
转矩T正比于n2
功率P正比于n3

图1 水泵流量、压力、功率曲线 …

在普通的水泵流量控制中使用阀门来调节，如图2所示：

图2 阀门控制水泵流量

管道阻力h与流量Q的关系为h正比于RQ2，其中R为阻力系数
电机在恒速运行时，流量为100%情况下（工作点为 A），水泵轴功率相当于Q1AH1O所包容的面积。
电机在恒速运行时，采取调节阀门的办法获得70%的流量（工作点为 B），将导致管阻增大，水泵轴功率相当于Q2BH2O所包容的面积，所以轴功率下降不大。
采用变频调速控制流量时，由于管道特性没有改变，水泵特性发生变化（工作点为 C），轴功率与Q2CH3O所包容的面积成正比。故其节能量与CBH2H3所包容的面积成正比，输入功率大大减小。 如图3所示：

图3 变频调节水泵流量

正如前面提到的，轴功率P与转速n的三次方成正比。采用变频器进行调速，当流量下降到80%时，转速也下降到80%，而轴功率N将下降到额定功率的51.2%,如果流量下降到60%,轴功率N可下降到额定功率的21.6%,当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等.即使这样,这个节能数字也是很可观的,因此在装有风机水泵的机械中,采用转速控制方式来调节风量或流量,在节能上是个有效的方法。
二，变频调速所实现的二次节能
变频调速自动根据负载情况调整输出电压，通过对电机的最佳励磁，有效地降低了无功损耗，提高系统功率因数，降低电机工作噪音, 延长电机使用寿命。
电动机的总电流(IS)为电机励磁电流(IM)与电机力矩电流(IT)的矢量和, IS和IM夹角的余弦值即为电动机的功率因数;
电机励磁电流决定于加在电机线圈上的电压, 在工频状态下, 交流电压为380V恒定不变, 因此励磁电流也不会改变;
在变频状态下, 变频器自动检测负载力矩, 根据实际负载决定输出电压, 因此在负载较低的时候自动降低输出电压, 以维持最高的功率因数.
由于变频器自动降低了电机励磁电流, 使得输出总电流明显低于工频工作的总电流, 节约了线路中的损耗和无功功率的损失;
这个功能在丹佛斯VLT系列变频器中称为AEO功能(Automatic Energy Optimization, 自动节能功能).