关于变频器在风机上的节能应用

作者：庞作红 谭壮

来源：《城市建设理论研究》2013年第51期

摘 要阐述了变频器的工作原理以及在风机上的节能原理与计算方法，并以公司的两台风机为实例计算出变频器的年节电量和节省投资成本的临界频率点。 关键词变频器节能临界频率点

Abstract: this paper expounds the working principle of the inverter and the fan on the energy saving principle and calculation method, and with the company's two fan festival as an example to calculate the inverter power and save the investment cost of critical frequency points. Keywords: inverter, energy saving, critical frequency point

中图分类号：TN77 献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02 1引言

节能减排不仅有利于环境保护、节约资源，而且可以节省企业的制造成本，提高企业在市场上的竞争力。企业锅炉房均会配备风机、水泵等装备。风机一般分为轴流式风机、离心式风机以及混流式风机[1]。由于风机产品系列是有限的，所以在选择风机时其裕度往往会超过所要求裕度的20%甚至30%，因此在使用时就需要调节其裕度。风机的调节方法一般有两种：节流调节和调速控制。节流调节是通过调整风道挡板或风门达到降低其风量并满足生产工艺需求。风机的机械特性为平方转矩特性，节流调节的过程中其固有特性不发生改变，但会增大管路损失，因此不能达到节能减排的要求。调速控制是通过改变风机转速达到调节风量满足生产工艺的目的，其能满足节能减排的要求，具有很好的经济效益。交流电机的调速方法有很多种如：变压调速、转差离合器调速、变极对数调速、变压变频调速等[2]。其中采用变频器对电机进行变频调速应用最为广泛，但是其设备成本高。 2变频器工作原理简介

交流变频器根据电流的转换方式可分为交直交变频器和交交变频器。交直交变频器电路包括有直流电路、斩波电路、逆变电路三部分，其首先将电网中的交流电整流成直流电，再将直流电转换为频率任意引调的交流电。交直交变频器具有调节方便、稳定，利于原有设备的技术

改造，价格低、质量轻等优点，其缺点主要是电子开关会造成电磁干扰，需注意散热等。交交变频器电路中使用了晶闸管，通过其自然换流方式将电网中交流电的频率转为频率可调的交流电。交交变频器具有损耗小、效率高等优点，其缺点主要是成本高，最高输出频率受限制等[3]。

3变频器在风机上的节能原理与计算方法

风机风压H与风量Q的曲线特性如图3.1所示。其中n1 、n2为风机在对应转速时的运行特性，R1、R2表示风机在相应阻力时的管路特性曲线。当风机运行在额定转速n1，管路阻力为R1时的工作点为A点，此时风量为Q1。为减小风量到Q2，增加管路阻力到R2，此时工作点为B点。介于风机功率正比于风压H与风量Q的乘积，比较矩形H2OQ2B与矩形H1OQ1B的面积可知，增加管路阻力会造成风机功率增大，浪费能源，虽然方法简单但是不利于节能。若利用变频器改变电源频率，根据公式（1）可知电机转速会随之改变[4]。现将风机转速降为n2，保持管路阻力R1不变，此时工作点为C点，比较矩形H1OQ1B和矩形H3OQ2C面积可知，降低风机转速来减小风量的方式可以使风机功率减小，虽然需要购置设备但是满足节能要求。

图3.1 风机风压—风量曲线特性

n1：风机在额定转速时的运行特性；n2：风机在较低转速时的运行特性

R1：风机运行在最小管路阻力时的阻力特性；R2：风机运行在较大管路阻力时的阻力特性 （1）

公式（1）中 n 表示异步电机转速（r/min)； S 表示电机的转差率；

n1 表示电机的同步转速（r/min)； f1 表示供电电源频率（Hz）； P 表示电机的磁极对数。

针对风机这类平方转矩特性的调速节能公式可参照《三相异步电动机经济运行》中的计算公式，如公式（2）所示： （kw） （2）

公式（2）中，Pv表示用挡板改变风门大小调节风量时的功率； Pe表示风机的额定功率； Q 表示风机工作时的风量； QN表示额定风量； Ki表示节电率。

4变频器在公司风机上的节能量及频率设置临界点的计算

公司两台风机功率分别为135KW和220KW，配电室夏季温度高达48℃，两台变频器共花费9.4万元购置，其设置的频率均为47.8HZ，当频率设置超过多少时就无须购置变频器？节电量计算如下：

因为风机风量的大小与转速一次方成正比，参考公式（1）可知：Q/QN =0.956。 将相关参数代入到公式（2）中，可以得到： =（0.45 + 0.55×0.9562）×135 = 128.6 Kw =（0.45 + 0.55×0.9562）×220 = 209.6 Kw =0.083

电频器工作时自身也会有损耗，其效率一般为95%-96%[5]。介于工作环境温度较高，效率取值95%。以一年工作320天，每天工作24小时计算其整年节电量： 24×320×（128.6+209.6）×0.083×0.95 = 20.5（万 Kwh） 变频器自身年耗电量为：

24×320×（128.6+209.6）×0.083×0.05 = 1.08（万 Kwh）

电费按照0.46元/kwh 计算可得其年节电费： 0.46 × 20.5 = 9.43（万元） 投资回收期为： 9.4/9.43 = 1（年）

节省成本的临界频率计算：

一般而言变频器的使用年限为10年，其购置成本为9.4万，则每年须至少节电费达0.94万才有购置的意义，年节电量须达到2.04万Kwh。此时所设置的頻率计算如下： 整理得：

通过matlab软件计算得 ，此时设置的频率为：

所以设置频率49.79Hz为节省成本的临界频率。 5 结束语

公式（2）是经过实践检验的理论公式，计算中同时考虑到变频器自身的损耗，因此本文计算出的变频器节省成本临界频率49.79Hz具有很大的参考意义。虽然公司的实际设置频率为47.8Hz比较高，但是风机的功率较大且运行时间长，所以年节电量很可观，且设备投资回收期仅需一年，由此可见变频器在风机的节能方面具有很大的应用价值。 参考文献

[1] 中国机械工程学会设备与维修工程分会. 风机及系统运行与维修问答[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[2] 陈伯时 等. 交流调速系统[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[3] 王宝华. 浅谈变频器原理及在煤矿提升系统中的运用[J]. 科技信息,2008(30):40-41.

[4] 蔡士齐. 通用变频器应用技术指南[J]. 变频器世界, 2005(26):134. [5] 贺勇. 变频器的节能计算方法[J]. 机床电器, 2012(17):39.