1、變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究及其應(yīng)用分析摘要：從變頻調(diào)速的根本原理開場，討論了電動機(jī)調(diào)速與節(jié)能的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合消費(fèi)理論中大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)展分析，指出變頻調(diào)速有利于節(jié)能及其它優(yōu)勢，并結(jié)合相關(guān)實(shí)例說明了使用變頻技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速節(jié)能流量頻率功率1概述我國的能源供給還很緊張，最大限度的利用能源是一種客觀要求。而八十年代初開展起來的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)消費(fèi)自動化開展的要求，創(chuàng)始了一個全新的智能電機(jī)時(shí)代。一改普通電動機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊形式，使得電動機(jī)及其拖動負(fù)載在無須任何改動的情況下即可以按照消費(fèi)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電機(jī)功耗到達(dá)系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。近年

2、來變頻技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在消費(fèi)、生活的各個方面，就是由于使用了變頻技術(shù)可以大幅度進(jìn)步能源的利用率。2變頻調(diào)速2.1變頻調(diào)速的根本原理在變頻調(diào)速中使用最多的變頻調(diào)速器是電壓型變頻調(diào)速器,由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。在其工作時(shí)首先將三相交流電經(jīng)橋式整流裝置整為直流電,脈動的直流電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下,用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源,輸出到需要調(diào)速的電動機(jī)上。由電工原理可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比,通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。2.2電動機(jī)調(diào)速與節(jié)能的關(guān)系風(fēng)機(jī)和水泵都是流體機(jī)械，流體機(jī)械的轉(zhuǎn)速變化與其流量、壓力和

3、功率之間的變化有如下的關(guān)系：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)2P1/P2=(n1/n2)3上述式子中Q1、H1、P1分別代表轉(zhuǎn)運(yùn)n1時(shí)的流量、壓力、功率。Q2、H2、P2、分別代表轉(zhuǎn)速n2時(shí)的流量、壓力、功率。即流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比：壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比；功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。由此可見，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速以減少流量來到達(dá)節(jié)流目的時(shí)，所消耗的功率將降低很多。例如：當(dāng)轉(zhuǎn)速降到80%時(shí)，流量減少到80%，而軸功率卻下降到額定功率的(80%)351%；假設(shè)流量需減少到40%，那么轉(zhuǎn)速相應(yīng)減少到40%，此時(shí)軸功率下降到額定功率的(40%)36.4%。風(fēng)機(jī)(水泵)調(diào)節(jié)流量，可行的方式

4、有兩種：第一種方式是保持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥來調(diào)節(jié)流量。此時(shí)風(fēng)機(jī)的對H-Q特性曲線不變。而風(fēng)閥開度發(fā)生變化，即管路的阻力特性發(fā)生了變化，即管路阻力增加。第二種方式是管路的阻力特性保持不變(即風(fēng)門不變)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。這種方法所消耗的功率相對于第一種要小得多。調(diào)速是控制風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能的相當(dāng)有效的措施。風(fēng)機(jī)、水泵一方面由于在消費(fèi)中具有面廣、量大、耗電多的特點(diǎn)，另一方面由于節(jié)能潛力大的特點(diǎn)，故此類電機(jī)的節(jié)能具有廣闊的前景，且意義重大。2.3電機(jī)在不同頻率下運(yùn)行的節(jié)電效果：P=N3(僅供參考)1頻率下降10%情況下的節(jié)電率：1-(1-10%)3=27.1%；2頻率下降15%情況下

5、的節(jié)電率：1-(1-15%)3=38.6%；3頻率下降20%情況下的節(jié)電率：1-(1-20%)3=48.8%；4頻率下降25%情況下的節(jié)電率：1-(1-25%)3=57.8%；5頻率下降30%情況下的節(jié)電率：1-(1-30%)3=65.7%；假如電機(jī)運(yùn)行頻率長期穩(wěn)定在30%以下，且遠(yuǎn)期負(fù)載無擴(kuò)展趨勢，建議更換電機(jī)拖動系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)上更合算。3.變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)省能源：3.1傳統(tǒng)的控制流量的方法是用閥門控制，而用閥門控制流量從100流量減到70流量時(shí)能量只減少2。而用變頻調(diào)速控制以后，同樣的降到70流量，能量下降了52，從而使系統(tǒng)的效率大為進(jìn)步。國外資料說明：當(dāng)工作點(diǎn)位于最大流量的80%時(shí)，使用風(fēng)閥將

6、消耗電機(jī)能量的93%，導(dǎo)流葉片消耗為70%，渦流聯(lián)軸器消耗67%，而變頻器消耗51%，差不多是風(fēng)閥的一半；當(dāng)氣流量降至50%時(shí)，變頻器只消耗15%，而聯(lián)軸器消耗為29%，導(dǎo)流葉片消耗為49%，風(fēng)閥為73%。這顯示出在輸送一樣氣流量情況下，風(fēng)閥消耗的能量幾乎是變頻器的4倍。3.2應(yīng)用變頻器調(diào)速的其它好處：(1)、減少噪音，對風(fēng)機(jī)來說降低轉(zhuǎn)速的同時(shí)，噪音大幅度降低。風(fēng)機(jī)噪聲抑制公式：(dB)551g(速度1/速度2),速度從100降到50的噪聲降低量為：551g(1500/750)=550.30=16.5dB噪音電平降低了16.5分貝,這是一個很顯著效果。(2)、設(shè)備軟啟動，消除了起動沖擊。感應(yīng)交

7、流電動機(jī)的啟動電流可以到達(dá)滿載電流的7倍多，即便是采用Y-起動也會到達(dá)4.5倍。所有啟動方式都必需考慮到接通電源瞬間對電網(wǎng)的沖擊，電機(jī)越大沖擊越大，這就不得不加大相應(yīng)供電設(shè)備的供電才能來承受沖擊。而使用了變頻器后那么不然，它沒有了啟動沖擊，起動電流由零開場隨著負(fù)荷增加而逐步上升，不管什么時(shí)候它都不會超過滿載電流，而且起動時(shí)間還可人為設(shè)置，平穩(wěn)地到達(dá)預(yù)設(shè)速度。(3)、高功率因數(shù)：供電局對用戶功率因數(shù)有嚴(yán)格要求。當(dāng)?shù)陀?0時(shí)用戶必需采取補(bǔ)償措施，否那么將罰款，反之那么可受獎。而使用變頻器后功率因數(shù)可接近1，免除了功率因數(shù)的補(bǔ)償。(4)、改善機(jī)械性能：減小機(jī)械磨損。起動時(shí)間和停車時(shí)間均可設(shè)置，使運(yùn)行

8、平穩(wěn)。消除了啟動時(shí)的皮帶打滑尖叫損壞皮帶。延長了機(jī)械的使用壽命。(5)、變頻器有完善的保護(hù)：由于變頻器普遍使用了智能控制，所以保護(hù)非常完善。電氣上的常規(guī)保護(hù)全都包括，而且還有許多例如：電機(jī)/電源缺相；相間短路；接地故障；過/欠電壓；變頻器/電機(jī)過熱；過速/低速報(bào)警；過載/空載報(bào)警等等保護(hù)。(6)、操作簡捷直觀：變頻器設(shè)有顯示屏，可迅速而簡單地進(jìn)展所需要的調(diào)試，編程及查詢工作，顯示器能提供有關(guān)變頻器，電機(jī)和操作狀態(tài)的信息。其中包括轉(zhuǎn)速、頻率、負(fù)載、千瓦小時(shí)、運(yùn)行時(shí)間、報(bào)警狀態(tài)等等。(7)、變頻器具有通訊功能：如今不少變頻器都具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。例如標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊。這就可方便地納入BAS

9、等網(wǎng)絡(luò)的集散控制系統(tǒng)。4.實(shí)驗(yàn)4.1實(shí)驗(yàn)裝置及儀表本實(shí)驗(yàn)的根底是大流量空氣分布器動力性能試驗(yàn)臺，其可測風(fēng)量為90003/h。系統(tǒng)空氣流量測量段按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)：(1)流量測量裝置由接收室和排放室組成，兩室之間由帶噴嘴的隔板分開。(2)噴嘴之間的中心間隔 大于較大噴嘴喉部直徑的3倍，排放室或承受室側(cè)壁到最近任一噴嘴喉部直徑的中心間隔 大于噴嘴喉部直徑的1.5倍。(3)在接收室和排放室中安放均流器，其均勻的孔眼面積占流通面積的40%。(4)由于噴嘴裝置及其設(shè)備的連接部分處于密封狀態(tài)，檢漏實(shí)驗(yàn)證明空氣的滲漏量不超過被測空氣流量的1%。以上幾條保證本實(shí)驗(yàn)精度，其測量數(shù)據(jù)具有很高的研究價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)選用

10、了4-72型Ne-5A離心通風(fēng)機(jī)1臺，標(biāo)牌名義風(fēng)量和風(fēng)壓分別為8480-127203/h及1138-785Pa,風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為4k，電機(jī)型號為Y112-4，為了能任意調(diào)節(jié)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，采用了SVF113-380A(日產(chǎn))變頻器。本實(shí)驗(yàn)測量儀表采用了DT6234光電轉(zhuǎn)速表測風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，ZBY215-84空盒氣壓表測大氣壓力，二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測空氣溫度，YYT-200B斜管壓力計(jì)測噴嘴前后的靜壓差，DT862-4型功率表測風(fēng)機(jī)的功率。為了更好的利用數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)記錄了當(dāng)時(shí)測量時(shí)的大氣壓強(qiáng)、環(huán)境溫度、進(jìn)氣口及出氣口的溫度。4.2計(jì)算公式為測量大風(fēng)量，采用了多個流量噴嘴組合的風(fēng)量測量裝置。本實(shí)

11、驗(yàn)共用了1個70的噴嘴，2個100的噴嘴，2個150的噴嘴。采用壓差法進(jìn)展流量的計(jì)算，計(jì)算公式為：Qn=nAn(2P/n)1/2(1)從(1)式中：Qn為通過流量噴嘴的體積流量，(3/s)；系統(tǒng)總送風(fēng)量等于通過各流量噴嘴的風(fēng)量之和；An為噴嘴的喉部面積，(2)；P為噴嘴前后靜壓差，(Pa)；n為通過噴嘴的空氣密度，(kg/3)；n為噴嘴流量系數(shù)。從(1)式可知，為使流量Qn與壓差P成一一對應(yīng)關(guān)系，必須使n、An、n等為確定的值，特別流量系數(shù)n是一個受影響因素較多、變化范圍較大的量，本實(shí)驗(yàn)臺選用了符合國際標(biāo)準(zhǔn)、由建研院空調(diào)所消費(fèi)的長頸噴嘴節(jié)流裝置，其喉部長度L=0.5d，d為喉部直徑()。在此條

12、件下，流量系數(shù)可按下式計(jì)算：n=0.986-7.006/Re+134.5/Re(2)式中雷諾數(shù)值可用下式算出：Re=nd/v(3)式中n是通過噴嘴喉部的速度，/s，可按下式計(jì)算n=(2P/n)1/2(4)為保證測量精度，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，15/sn35/s。v為噴嘴入口處空氣的運(yùn)動粘滯系數(shù)，可通過查表或計(jì)算求得。詳細(xì)分析如下：從圖中4-1可以發(fā)現(xiàn)功率于頻率不成線性關(guān)系，隨著頻率的增大，功率也隨之增大。實(shí)驗(yàn)中頻率從41Hz46Hz范圍中，增加趨勢相對穩(wěn)定，而此前此后范圍內(nèi)，變化較大，表現(xiàn)為圖中曲線斜率突增。從圖4-2中可知，頻率與風(fēng)量不成線性關(guān)系。隨著頻率的增大，風(fēng)量也隨之增大。在頻率為0.20620

13、.2229Hz和0.27590.3000Hz范圍內(nèi)，上升幅度較大，從0.2229Hz以后，上升幅度趨于平緩，到達(dá)0.2379Hz以后，上升幅度突然增大，至0.2379Hz以后，上升幅度突然增大，至0.2579Hz以后上升幅度再次恢復(fù)相對平緩。從圖4-3中可以發(fā)現(xiàn)功率與流量不成線性關(guān)系，并且隨著流量的增大，功率也隨之增大，又Q=A*v，在通風(fēng)斷面面積一定情況下，流量Q隨v的增大而增大。實(shí)驗(yàn)中，所消耗的電能絕大部分轉(zhuǎn)化為空氣動能，還有一部分由于克制沿程阻力和部分阻力轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使通風(fēng)管壁溫度升高。5節(jié)能分析5.1節(jié)能計(jì)算對于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，通常采用以下兩種方式進(jìn)展計(jì)算：1、

14、根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類在不同控制方式下的流量負(fù)載關(guān)系曲線和現(xiàn)場運(yùn)行的負(fù)荷變化情況進(jìn)展計(jì)算。以一臺IS150-125-400型離心泵為例，額定流量200.163/h，揚(yáng)程50；裝備Y225-4型電動機(jī)，額定功率45k。根據(jù)運(yùn)行要求，水泵連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行，其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷，13小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷；全年運(yùn)行時(shí)間在300天。那么每年的節(jié)電量為：1=4511(100%69%)300=46035kh2=4513(95%20%)300=131625kh=12=46035131625=177660kh每度電按0.5元計(jì)算，那么每年可節(jié)約電費(fèi)8.883萬元。2、根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：P/P

15、0=(n/n0)3計(jì)算，式中為P0額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的功率；P為轉(zhuǎn)速n時(shí)的功率。以一臺工業(yè)鍋爐使用的22k鼓風(fēng)機(jī)為例。運(yùn)行工況仍以24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷(頻率按46Hz計(jì)算,擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按98%計(jì)算)，13小時(shí)運(yùn)行在50%負(fù)荷(頻率按20Hz計(jì)算，擋板調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)功耗按70%計(jì)算)；全年運(yùn)行時(shí)間在300天為計(jì)算根據(jù)。那么變頻調(diào)速時(shí)每年的節(jié)電量為：1=22111(46/50)3300=16067kh2=22131(20/50)3300=80309khb=12=1606780309=96376kh擋板開度時(shí)的節(jié)電量為：1=22(198%)11300=1452kh2=22

16、(170%)11300=21780khd=12=145221780=23232kh相比擬節(jié)電量為：=bd=9637623232=73144kh每度電按0.5元計(jì)算，那么采用變頻調(diào)速每年可節(jié)約電費(fèi)3.657萬元。5.2實(shí)例分析某工廠離心式水泵參數(shù)為：離心泵型號6SA-8，額定流量53.5L/s，揚(yáng)程50；所配電機(jī)Y200L2-2型37k。對水泵進(jìn)展閥門節(jié)流控制和電機(jī)調(diào)速控制情況下的實(shí)測數(shù)據(jù)記錄如下：流量時(shí)間消耗電網(wǎng)輸出的電能(kh)L/s(h)閥門節(jié)流調(diào)節(jié)電機(jī)變頻調(diào)速47233.22=66.428.392=56.8408308=24021.168=169.3304274=10813.884=55

17、.5201023.910=2399.6710=96.7合計(jì)24653.4378.3相比之下，在一天內(nèi)變頻調(diào)速可比閥門節(jié)流控制節(jié)省275.1kh的電量，節(jié)電率達(dá)42.1%。6、完畢語由以上分析可知使用變頻調(diào)速技術(shù)可以大幅度進(jìn)步效率節(jié)約能源，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國節(jié)能的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)，受到國家政府的普遍重視。理論證明，變頻器用于風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備驅(qū)動控制場合獲得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既進(jìn)步了設(shè)備效率，又滿足了消費(fèi)工藝要求，并且因此而大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十清楚顯，設(shè)備一次性投資通?？?/p>

18、以在9個月到16個月的消費(fèi)中全部收回。附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表：大氣壓力(pA)室溫()風(fēng)機(jī)頻率(hZ)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速電功率(k)噴嘴前后靜壓差進(jìn)氣口溫度()出氣口溫度()流量(3/s)最大最小平均102.5023.6502543129.618760.376637.63825.325.11.227104.0223.7492502210.318920.333333.033.425.425.21.150103.9922.8472444203.816970.300031.031.423.823.910115103.9922.7462404136.716930.292529.630.023.523.61.089103.0024.0452315120.615940.276428.428.624.925.11.065102.9524.