变频技术在风机、水泵节能改造中的应用研究

当前变频技术正处于不断完善与发展的过程中，调速性能亦在不断完善之中，同时其交流调速功能也在诸多领域得到了广泛的应用。本文首先简单地介绍了变频技术的概况，然后分析了变频器在风机控制系统中的应用，通过对变频原理的阐述，体现出变频技术在风机、水泵节能改造中的主要优势，并研究了在风机、水泵节能改造中变频技术的一些应用。

据相关研究表明，在我国整体电机装机量组成成分中，风机与水泵配套电机系统占据其中的60%左右，所耗费的电能约占据我国总发电量的30%。当前很大一部分电厂依然选用传统挡风板及相关阀门的自主控制方式来调节风机的风力、液体流量，控制其压力，本质上主要是采取人为干涉附加阻力的方式，以高成本、高能量消耗的工作方式作为生产运作的前提。此种传统的调节技术不仅是浪费电能的表现，同时由于其整合准确度较低，调度精度有限，不能较好地迎合现代化工业生产运作的需求。因此，为了走可持续、科学发展的道路，做到能源的最优配置，需对风机、水泵系统实施变频节能改造。

1 变频技术概述

变频技术属于电子技术中的一种。变频器主要是基于变频技术而衍生的电气设备，用于调控电源频率，通常应用在较大一部分以电机带动为主要驱动力的场合中。它具备高精度的速度控制优势，能够准确、快速地对机械设备传动升降进行控制，同时调节其变速运行。变频器不会受到电机复杂系统及工作条件的限制，能够维持较长时间在高负荷的工况中运行。变频器主要由键盘、电源板、控制主板、整流桥、电解电容、充电电阻、继电器等部件构成。其低频力矩较大，输出比较平稳，能够进行高性能的矢量控制，转矩动态响应速度较快，稳速精度高，减速停车响应速度较快，同时具备较强的抗干扰能力。将变频技术应用于电机改造中，能够充分发挥其自身优势，达到节能的目的，为机械生产奠定良好的控制基础。

2 变频控制器在风机控制系统中的应用

2.1 系统框架

变频控制器在风机控制系统中的应用主要通过预先输入风压设定值，通过风压传感器将预设的风压信号传输至变频控制器，然后通过预先编制的程序实施运算，并根据压力变化调节不同的控制信号，进而改变风机运转速度，达到调控风压的目的。然后风压通过传感器将信号传输至变频控制器，以实现其自动控制。在变频前提下，通过改变风机输入的电压情况，即可实对电机转速的控制。设定n为风机转动速度，f为其转动的频率，p为电机的风力级别。则可将电机的转动速度表示为

同时可将改变风机的变动速度，来控制风机的运作情况的关系通过公式体现。同样以n表示风机的转动速度，以Q表示风量情况，P表示风压，N为风机的功率。此时便可得出 1式：，2式：，3式：。将1、2式代入系统曲线公式中，经过公式换算，则可得出。通常在使用风机时，其风量、风压的预先设定值必须大于实际生产运作的需要。一般压力需超过标准值的20%左右，风量则需超过约10%。原始的调控方法虽然相对而言比较简单，但选用传统的挡板式阀门调节方式不仅会导致能源的浪费，同样会在一定程度上造成噪声污染。

2.2 变频技术节能原理

(1)风机节能原理。风机改造中应用变频技术原理，主要基于降低空气内部阻力的视角，来达到节电、节能的目的。较之常规的原始调节方法而言，其节电优势较为明显。风机运行曲线图如图一所示。其中1、2、3、4分别代表四种不同的变频控制曲线，曲线1为风机在转速一定的情况下的风压及风量，曲线2表示在风门全开情况下管网内部风阻的特性。曲线4则表示风门全开情况下变频运行的情况。若设定风机于A点时运作效率最佳，此时横纵轴分别对应的风量为Q1，风压为H2，此时若将风量降低，调节至Q2的位置，此时相当于强化管网的阻力，同时风机阻力特性增加，风压并没有下降，反而增高。由此可知，风机的轴功率与其曲线面积呈正相关。据曲线模型分析，可知采用变频技术调节后，功率显着降低，具备良好的节能效益。以流体力学原理作为参考，当变频器在实施风速调节时，转速与风量同时下降，此时系统功率也在同步下降，节能效益较为可观。

(2)水泵节能原理。相较风机而言，水泵具有较强的连续性，传统的电厂供水系统中，水泵机组要么工频运行，要么备用，且主要由技术员操作切投，这就直接导致水管压力不恒定，能耗高。为了改变这种状况，某电厂将变频调速技术应用于电厂供水系统，经过改造后，供水母管压力稳定，表现出了显着的节能效果。

变频器恒压给水控制原理图。该系统由DCS控制电机的切投，而与电机直连的变频器则提供经过有效变频的电源，其驱动信号由DCS内置的PID调节器提供。从结构原理上看，该系统首先将预设的水压、水位等信号与母管相关信号对比，得出一个差值信号，以该信号指导DCS切投电机，而DCS又能通过内置PID调节器输出信号，使变频器发出一个合理的频率信号，从而控制电机转速，以此调节母管压力。

该电厂通过此改造，结合实际工艺要求，采集母管多点水压信号，得出合理的平均值进行控制，后续通过MATLAB结合Simulink仿真，选取PID参数，静动态输出相应均比较优秀，实际运行中也取得了良好的效果。

3 变频技术改造的主要优势

首先，通过变频技术改造后，能够将电机的启动电流控制在一定的范围内。在未实施改造前期，电机若直接启动，则电流的消耗将大于标准电流的5倍左右，此时由于电流值过大，导致电机机组由于电应力作用，产生过多的热量，造成能源浪费，导致其机组使用寿命降低。而采用变频技术改造后，通过变频调速，能够在转速、电压为零的情况下实现机组的启动，有效降低启动时的电能消耗，强化机组内部绕组的承载力，延长其的使用寿命。

其次，减少机器控制的电压波动。在大型设备电机启动初期，电流的迅速增加会在一定程度上导致电压波动频繁，传统电机电压控制主要由其电机的功率及配置电网的系统容量所决定。若硬性降低电压，则会导致配电网络系统异常，发生跳闸等现象，影响电机的正常运作。而在风机、水泵改造中应用变频技术后，能够实现电机零压启动，保持电压处于正常范围内，在设备工作负荷较小的情况下，实施低速运行，显着降低能源消耗，且减少电机之间的磨损、热量消耗，能够有效延长机组的使用寿命，同时在降低运作成本方面的作用也较为显着。电机的能量消耗与其运作转速呈正相关的函数关系，实施变频传感控制后，有效调节不同时段设备的运作情况，降低电压、电流的波动速率，降低维修率，延长机器设备的使用寿命，最终使企业走上可持续发展的道路。

4 结束语

综上所述，将变频技术应用于大型设备的交流调速中，能够显着体现其性能优势，针对风机而言，变频控制器条件能够有效取代传统能耗较为严重的挡风板式调节，降低风机的电流冲击，减少机械设备的震动频率，降低设备故障产生的几率，减少设备的维修量，实现风量、风压的自动调节，达到节能的作用。对于水泵改造来说，将变频技术应用于节能改造中，能够显着降低水泵压力的浪费，避免机器做较多的无用功，将水泵电动机的运行压力控制在正常范围内，降低压力能源的消耗，优化电机能源配置，减少运作成本。总之，在风机、水泵电动机改造中应用变频技术，能够充分发挥其自身优势，达到能源最优利用的目的。