低压空冷电机变频节能技术初步研究

低压空冷电机变频节能技术初步研究

王永亮

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摘要：针对空冷电机常规设计冗余量大，工频长期不停机的运行方式，靠阀门开度调节流量，效率不高、能源浪费较大等问题，如果采用变频调速技术可以提高生产效率从而达到节能降耗的目的。

将变频技术作为一项能够大力节省能源的高新技术显得尤为重要。在世界能源紧缺的今天，开展变频节能技术的研究、推广有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。

关键字：电动机；变频技术；调速；节能

引言

目前我国的能源消耗比其他发达国家要高很多。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］。然而随着电力技术的发展，变频调速技术日趋完善，功能多，质量可靠，运行稳定等特点使得变频调速技术得到广泛应用。

1背景分析

通常风机设计余量大，调速范围宽，采用工频供电，按额定功率、额定转速运行，而实际生产对于风量要求的不确定性，导致只能通过人工调节挡风板或阀门开度来满足现场工况，长期运行下来效率偏低，能源浪费较大。如果进行变频改造，按生产实际需求进行变频调节，既能满足工艺要求，又能达到节能的效果。

1.1电机参数

笼式三相异步交流电动机，额定电流51A，功率22kW,额定电压380V，功率因数0.72，绝缘等级F。

1.2节能原理

根据流体力学可知，流量与转速的一次方成正比，转矩与转速的平方成正比；轴功率与转速的三次方成正比。即：

Q1=Q2×（n1/n2）

H1=H2×（n1/n2)2

P1=P2×（n1/n2)3

式中：Q表示流量、H表示转矩、P表示功率、n表示转速。

因此当电动机转速下降时，电动机功率损耗会大幅下降，耗电量也会随之减小，当转速降低50%时，流量下降50%，转矩降低25%，功率降低12.5%，即功率与转速成三次方关系[2]。

2设备选型

2.1变频器简介

SINAMICS G120是一款模块式变频器系统，其主要包含两个功能单元：控制单元(CU)、功率模块(PM)。控制单元可以控制和监控功率模块和与它相连的电机，控制模式有多种，按需选择。该组件能够支持与本地或中央控制系统以及监控设备的通讯。功率模块用于对电机供电，功率范围为 0.37 kW 至 250 kW。该模块采用了最先进的IGBT 技术和脉宽调制功能，从而确保可靠而又灵活的电机运行。丰富的保护功能为功率模块和电机提供了高度保护。改造后可以实现变频工频转换，如图1所示。

图1 工频变频转换示意图

2.2变频器控制方式

（1）两种控制方式，即远程和就地控制。

（2）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。

（3）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。

（4）频率给定及调节方式：

1）面板给定，通过面板调整。

2）模拟量给定，通过模拟量调整。

3）通讯给定，通过通讯调整或多功能端子实现递增或递减。

系统提供了两种控制电机转速或频率的方法:

（1）手动调节。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。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。

3效果分析

3.1负载特性说明

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［3］。

3.2变频调速节电效果

由于电机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来决定电动机的容量，故设计容量一般偏大，从而使设备长期满负荷低效率运行。工频运行的空冷系统多采用机械节流方式调节流量，主要是调节阀门挡板和管道进、出口开度，来实现调节流量的目的。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。如图2所示，当流量从 QA下降到 QB时，工作点由A点移到B点，供气功率PA与OEBF区域的面积成正比。

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2所示，当流量从QA下降到QB时，工作点由A点移到C点，功率PB与OECH区域的面积成正比。由图2可知，电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。

图2 风机工频、变频运行能耗的分析图

3.3变频节能计算公式

（1）工频运行功率计算公式P=√3×U×I×cosφ

式中，U为运行电压kV；I为运行电流A；cosφ为功率因数。

P工=1.732×380×51×0.72=24.167kW；

P变=1.732×380×30×0.95=18.757kW；

每天可节电约129.84kW·h。但这只是理论计算，变频器自身能耗不含在内，且机械损耗也未考虑，该数据只能作为参考依据。

结束语

经过变频改造后，可以避免电机启动电流过大对自身产生的影响，有效地延长电动机使用寿命，提高设备稳定性，为装置平稳运行提供可靠保障，同时能够极大地节约能源。

参考文献

［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］谭有广，刘峰.水泵的变频调速节能原理分析.［J］.应用能源技术，2004年.

［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．