低压风机变频节能技术研究与设计

李学生

(中钢集团安徽天源科技股份有限公司)

我国的耗能标准比其他发达国家要高很多，主要是由于历史原因造成的能源消费结构不合理和产品的能耗高，造成能源大量的浪费等问题。国家规划要求，大力开展能源节约与资源综合利用，要彻底解决好此问题，首先要找出耗能根源。据统计，我国各类电动机用电量约占全国用电量的60%，其中风机的用电量占全国用电量的10.4%[1]。节能方式有换电机或采取方法提高电机节电率。近年来，国家采用补贴等优惠政策大力发展YE3、YE4、永磁、新能源等高效电机，但价格高、市场占有率低。随着电力技术的发展，变频调速技术日臻完善，功能越来越多，质量越来越可靠，性价比越来越高。风机变频调速实现了成本不断降低，性能不断完善，在生产领域将会逐步得到推广应用。

1　工况分析

1.1　负载设备参数

负载设备参数见表1。

表1　负载设备参数

1.2　负载设备工况

1.2.1风机分析

通常风机设计余量大，调速范围宽，采用工频供电，额定功率、额定速度运行，而实际上生产风量需求是不固定的，时大时小，通过人工调节挡风板或阀门开度的大小达到既经济又能满足生产的需求难度很大，长期运行下来效率偏低，能源浪费较大。如果通过变频器按生产实际需求量进行变频调节，既能满足生产，又能达到节能的效果。

1.2.2节电原理

根据流体力学知识[2]可知：

(1)风机的流量与转速成正比。

(2)风机的扬程与转速的平方成正比。

(3)风机的轴功率与转速的立方成正比。

设风机的轴功率为p，风机的转速为n，风机的扬程为h，流量为q，则有下式(1)成立：

p=kn3，h=kn2，q=kn，

(1)

当转速下降时轴功率、扬程、流量同时按不同的方次下降，由公式(1)可计算出表2。

表2　风机轴功率、流量、压力与转速计算表

注：表中转速、压力、扬程、流量、功率数值为不同频率下的运行值÷额定值×100%，节电率为(1-运行功率)×100%。

1.2.3风机阀门调节存在的问题

(1)节流损失大、管网损失严重、能源浪费大、系统效率低。

(2)无法随时动态跟踪工艺进行风量调节以满足最佳工艺要求，自适应性差。

(3)阀门开度长期保持30%～50%，磨损快，特性差，寿命短，维护量大。

(4)工频启动时电流大，冲击电网很大，寿命变短，故障率增高。55 kW风机电机启动电流曲线见图1。

图1　55 kW风机电机启动电流曲线

2　变频器选型

2.1　PI9230系列变频器简介

PI9230型变频器为PI系列通用变频器功能增强型产品，DSP控制系统，拥有完善的无速度传感器控制、V/F控制，功能齐全，方便灵活，性能稳定。已在风机、泵类等负载领域得到广泛应用。PI9230通用型变频器综合技术特性如下：

(1)输入输出特性。输入电压范围380 V±15%、频率范围50 Hz±5%；输出电压范围0～380 V、频率范围0～300 Hz。

(2)外围接口特性。数字输入：8路开关量输入，1路高速脉冲输入，最高输入频率100 kHz；2路模拟量输入：AI1为-10～10 V输入，AI2为0～10 V或0～20 mA输入；2路常开集电极输出(常开集电极输出或高速脉冲输出)；2路继电器(常开或常闭可选)输出；2路模拟量输出，AO1、AO2，分别可选0/4～20 mA或0～10 V；外围接口均为可编程自定义。

(3)技术性能特性。控制方式：优化的V/F控制；过载能力：150%额定电流60 s，180%额定电流2 s；调速比：1∶100；载波频率：0.5～16.0 kHz。

(4)功能特性。①频率设定方式：数字、模拟量、脉冲频率、串行通讯、多段速及简易PLC、PID设定等，也可以组合设定的和方式切换；②PID控制功能；③简易PLC、多段速控制功能，最多16段速控制；④转速追踪再起动功能；⑤自动电压调整功能；⑥提供多种故障保护功能。

2.2　变频器控制方式

(1)风机上装设变频系统。

(2)两种控制方式，即远程和就地控制。

(3)外围接口都是可编程自定义。用户可以根据要求搭建应用系统，且具有良好的可扩充性。

(4)通过硬接线方式和DCS接口，或通过RS485通讯接口和DCS进行MODBUS通讯协议控制通讯，利用系统平台实现变频器远程启动、停止、调速。

(5)频率给定及调节方式见表3。

表3　变频器频率给定及调节方式

3　系统组成及控制

3.1　变频器配置

根据现场的额定参数和实际运行工况，选用PI9230系列变频器对风机进行改造设备，其主要型号及辅助器件见表4、表5。

表4　变频器型号及功率

表5　变频柜其他主要辅助器件配置

3.2　变频器切换方式

根据现场风机配置特性进行如下(见图2)变频改造方案。

变频调速系统由用户开关、变频柜、PI9230变频器、电机组成。变频柜是由一个开关(QM)和两个接触器KM1、KM2及相应其他主要辅助器件组成。变频器柜设计时考虑到变频器故障或维修时，不影响生产，冗余设计输出接触器KM1和旁路接触器KM2互锁，以备变频器故障时可以切换到旁路手动工频工作，保证系统安全运行。

3.3　频率控制方式

变频器端子控制接线见图3。

图2　变频器控制系统示意图

图3　变频器端子控制接线图

系统提供了两种控制电机转速或频率的方法：

(1)手动调节(变频器开环运行)。通过人机界面可远程设定或就地调节给定信号，实现满足生产需要的风量和压力。

(2)自动调节(变频器闭环运行)。将现场监控模拟信号(压力或流量)传给变频器，通过与设定值比较，PID自动输出要求的频率，确保风机在要求的风量或压力范围内高效率的运行。

4　效益分析

4.1　负载特性说明[3]

负载特性是指电机拖动负载的转矩与转速之间的关系，也叫负载转矩特性。电动机调速节电，与负载特性的关系极为密切。典型的3种负载特性是恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机和泵类负载特性(见表6)。由表中可看出风机轴功率与转速的三次方成正比，为变频调速提供了理论根据及很大的节能空间。

表6　电力拖动典型负载特性表

4.2　风机调速的节电效果

风机系统大都存在着大马拉小车的工作现象，设备长期满负荷低效率运行。工频运行的风机系统多采用机械节流方式调节流量，主要是调节阀门(挡板)，即调节管道进、出口开度，达到调节流量的目的。当调节阀门(挡板)时，管阻特性会随之而变化，而电机工频运行速度不变，其扬程特性不变[4]。如图4所示，当流量从QA下降到QB时，工作点由A点移到B点，由公式(1)可推算出供气功率PA与0EBF区域的面积成正比。

图4　风机工频、变频运行能耗的分析图

变频调速是通过改变风机转速大小实现流量调节的。管道处于全开状态，当转速改变时，其扬程特性随之而改变，但管阻特性不变。如图4所示，当流量从QA下降到QB时，工作点由A点移到C点，供气功率PB与0ECH区域的面积成正比。

由图4可知，风机工频阀门调节与变频调速相比，产生同样的流量QB，节约的功率△P与HCBF区域的面积成正比。

4.3　变频节能计算公式

(1)工频运行功率计算公式

P工=U×I×1.732×cosφ

或P工=用电量÷相应时间 ,

(2)

式中，U为工频运行电压，kV；I为工频运行电流，A；P工为工频运行功率，kW；cosφ为工频运行功率因数。

(2)变频运行功率计算公式

由公式(1)可推出

P变=P工×(f变/f工)3,

(3)

式中，P变为变频运行功率；P工为工频运行功率；f变为变频运行频率；f工为工频频率；当然公式(3)只是纯理论计算，变频器自身能耗不含在内，且机械损耗也未考虑，可作为参考计算。

(3)变频改造后系统节电率计算公式(结算时以现场测试的真实数据为准)

(4)

4.4　节电考核方法

变频改造前对要准备改造的电机安装电度表和累时器运行10～15 d后记下电度表和累时器的数字，算出电机工频运行每小时平均电耗，即工频电耗

安装变频器后，用同一电度表计量，运行10～15 d后再记下电度表和累时器的数字，算出该电机变频运行每小时平均电耗，即

再计算出该电机变频调速后每小时节电=工频电耗-变频电耗，本月节约电度数=(工频电耗-变频电耗)×本月变频器运行时间。

4.5　间接效益

变频调速还具有以下优点：

(1)电机工频运行时功率因数一般都低于0.8，变频调速后，电源侧的功率因数可提高到0.9以上，增加了负荷使用容量，考虑到变频器自身电耗约4%，该项综合节电6%以上。

(2)电压适应范围宽、启动电流低、保护完善、磨损减少、寿命延长，维护和维修费用下降。

(3)可远程简单方便的设定参数和监控，同时为设备信息化管理打下良好的基础。

5　结　语

风机变频改造后，操作方便，保护完善，解决了原风机系统中的缺点及不足，减轻了维护量，减少了维修成本，提高了系统的使用寿命，节电效果非常显著，节电率一般在30%～70%，推广前景广阔。

[1]国际铜业协会.电机系统节能实用指南[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]郝用兴，苗满香，罗小燕.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

[4]游梦娜.电机系统节能技术[M].北京：中国电力出版社，2013.