Ｉｎｖ ｅｒｔ ｅｒ Ａ ｐｐＬｉｃ口七ｉｏｎｓ变频器应用实例 变频隧ＷＷＷ．ｅｈｉｎａｂｉａｎｐｉｎ ｃｏｎｌ 陕鼓变频节能技术及其在通风系统中的应用 郭春燕１，２ （１．西安建筑科技大学；２．西安陕鼓动力股份有限公司，陕西西安７１００５４） 摘 要：本文在对不同的负载类型的系统特性进行量化说明的同时，从宏观上说明了风机系统负载 曲线中可控制的节能区域与控制办法。对陕鼓动力所开发变频风机系统节能技术方案进行了详细说明， 并从所应用案例中说明了该系统节能的控制的成效与应用价值。 关键词：负载特性；冗余设计；节能；估算方法 中图分类号：ＴＭ９２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ９９４—３０９１（２０１ ３）０５—０７３—０７７ Ｏ引言 频改造可以使电机工作在高效区，把系统冗余的能量损失 节省下来，并减少相应资源的投入，达到节能的预期目的。 对传动系统进行变频节能改造的目的主要是通过对 ②变频改造能使变频电机系统更好的适应服务对象 电机系统的优化，使电机系统工作在更为高效的工作状 的动态变化，能高质量的满足系统对调速的要求；变频调 态，从而达到节约能源和更好的满足系统工艺要求、完善 速功能使电机系统或其服务的系统保持能动态的处于优 及改进工艺状况，以期更大的发挥产能优势的目的。 化的Ｔ作状态，在动态节约系统冗余的同时，实现了系统 传统市场上的变频节能改造一般都是由变频器厂家 冗余的动态利用，通过整个系统性能的提高，变频调速功 或节能服务公司直接使用变频器替代软启装置或者液偶 能优势的发挥，提高了系统的整体效率，实现了更大范围 调速系统，实现节能。在改造过程中仅仅强调了电能的节 和更高层次的节能。 约，而忽视了对工艺的改进、对系统效率的提高程度、间接 ③提高系统功率因数。通过变频调速能够使电机动态 的系统资源投入的节约和系统效益的增量等。所形成的不 工作在高效运行状态，功率因数一般可以达到０．９５左右， 一定是较为优化的系统方案。 节省了系统的无功功率，可以不用设置无功补偿，同时减 针对这种情况，陕鼓集团利用自身在风机领域的技术 轻了线路和变压器的负担，提高了供电及电机系统的效 优势，结合风机本身的控制工艺，对传统变频节能改造系 率，节约了能源消耗。 统技术方案进行优化，形成了陕鼓独特的技术架构，同时 ④提高设备自动化控制水平。采用变频改造后，系统 通过对方案的细化，使用户得到更好的节能效果和工艺改 运行操作简单，运行方便。可通过计算机远程给定风量或 进。具体应用特征总结如下： 压力等参数，实现智能调节。 ①节约电机系统内的设计冗余。一般设计都按照使用 时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的余量很大，通过变 １不同种类负载变频节能改造的可行性 收稿日期：２０１３－０５—０６ 通常将负载类型分为：平方转矩负载、恒转矩负载、恒 ２０１３年第５期・建鳆辍书震霹Ｉ ７３ ｅｒ＇ｃｅｒ Ａｐｐｌ，ｉｃ口七ｉＤｎｓ 功率负载和变参数负载四大类型。由于负载特性不 ，在 使用变频器对电机实行控制时所采用的控制方案以及在 节能方面的效果也截然不同。 （１）平方转矩类负载 对于离心风机、离心水泵这类负载，流量与转速成正 比，转矩与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比， 因此称为平方转矩类负载，也叫做变转矩类负载。其特性 曲线如图１所示 离心风机、离心水泵通过电机变频对流 量进行调节，其实质上是改变泵的工作点。由于［作点是 由泵的特性曲线和管路特性曲线所决定，只要改变两条特 性曲线之一均能达到目的。如改变阀门开度调节，实质上 是改变管路特性曲线（即图１一（ｂ）中的红色曲线），这是低 效的流量调节方式；通过变频改变泵的转速，实质 是改 变泵的特性曲线（即图１一（ｂ）中的绿色曲线），使泵的特性 曲线下移，这是一种高效的流量调节方式和节能途径。变 频调速在这类负载中的应用，节电效果最为明显。 Ｑ２＝Ｑ１＾Ｉｔ２ ．‘ ： ×ｆ坠１＼Ｉｔ１／ Ⅳ２＝Ⅳｌ×ｆ＼ ｒｎ．ｔ２１／ ＿ １ 转速 （ａ）流量、静压、功率与转速的关系 钆 尸２ Ｐ ０ Ｑｚ 流量Ｑ口【 （ｂ）风机运行曲线 图１平方转矩负载特性曲线 ７４ Ｉ霆艇糖 意用・２０１３年第５期 （２）恒转矩类负载 恒转矩类负载消耗的功率与电机的转速的…次方成 正比，负载转矩与转速基本无关，任何转速下负载转矩总 保持恒定或基本恒定，如罗茨风机、球磨机等负载以及吊 车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。恒转矩类负载 的特性曲线如图２所示。 ｒ ４， Ａ ３ （ａ）机械特性 图２恒转矩类负载特性曲线 恒转矩类负载要求变频器低速下的转矩要足够大，并 且有足够的过载能力。对于这类负载节能的幅度与百Ｔ凋速 的范围有关，在大多数情况下需要兼顾节能和调速两个方 面。特别是对于重载起动的情况，为丁保证启动成功，设计 时往往适当加大电机的容量。所以从表面Ｌ看 似乎有较 大的变频节能空间（电机容量相对较大），但恒转矩负载容 也容易原有系统的限制如球磨机。球磨机工作时料简的转 速是恒定的，即使要变化，变化的范围也不大，如果考虑使 其转速下降节能，但可能使球磨的时Ｉ＇￣Ｉ－Ｎ长，是否有节能 的效果很难说。 （３）恒功率负载 对于恒功率负载，功率与转速的大小基本无关，负载 转矩基本与转速成反比。如输送皮带，在设定流量一定的 条件下，当料层厚时，皮带速度减慢当料层薄时，皮带速度 加快。其运行特性曲线如图３所示。变频调速器在这类负 载中的应用节电量不明显，主要用于变频调速，以满足和 提高系统功能。 （４）变参数负载 变参数类负载主要是指静叶可调或者动叶可凋轴流 风机负载，在运行过程中随着工况参数的变化，控制系统 自动调节风机的静叶或动叶角度，以便更好的满足工艺状 况并达到节能效果。在静叶和动叶角度调节的过程中，风 机的流量、轴功率、转矩都跟随发生变化。严格来说这也是 Ｉｎｖｅ ｒｔ ｅ ｒ Ａ ｐ ｐ Ｌｉｃａ七ｉｏｎｓ变频器应用实例 图３恒功率类负载特性曲线 一种变转矩负载。由于该类风机本身可以通过自身调整更 好的适应工艺状况并达到节能目的，原则上进行变频改造 从经济上来说是不划算的。但是由于大多数情况下设计容 量比实际运行所需容量有一定冗余，所以很多情况下也存 在变频改造的可行性。具体要进行现场参数的采集和力学 气动特性分析来决定。 ２风机变频节能原理及节能量估算 （１】风机变频节能原理 对于平方转矩类负载的风机，节能效果是最好的。风 机运行曲线如图１－ｂ所示，图中Ｐ为风压，Ｑ为风量。绿色 曲线为风机在恒定转速ｎ 、ｎ 下的风压一风量特性；红线 为管网风阻特性。 假设额定工作点为Ａ，此时轴功率Ｊ７ｖ 与Ｑ。、Ｐ．的乘积 成正比，在图中可用面积ＡＰ。ＯＱ。表示。如果生产工艺要 求，风量需要从Ｑ，减至Ｑ ，这时用调节风门挡板的方法相 当于增加管网阻力，系统工况由Ａ变到Ｂ，此时轴功率，ｖ２ 与面积Ｂ Ｄ 成正比。轴功率下降不大。 如果采用变频器调速，风机转速由ｎ。降到 工作点 由Ａ点变为Ｃ点。轴功率 与面积ｃ只０ｐ 表示。与风门 调节相比较，节省的功率ＡＰ＝（Ｇ－ ×Ｑ：，用面积ＢＰ Ｃ 表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。 （２）节能量估算 对于风机水泵类负载来说，进行变频节能改造，节能 是最主要的考虑因素。为了确保节能效果，在改造前需要 对节能效果进行预估算。估算方法是分别估算安装变频器 前风机系统所消耗的电能和安装变频器后风机系统所消 耗的电能，而这相减来确定。 安装变频器前消耗功率估算： 变频阿ｗｗｗ ｃｈｉｎａｂｉａｎｐｉｎ ｃｏｉｌ， Ｐｌ＝１．７３２ Ｘ，ｌ×Ｕｌ ｃｏｓ妒（Ｘ ｋ１） （１） 其中， 为改造前实际运行电流、Ｕ 为改造前实际运行 电压，ｃｏｓ 为功率因数。当功率因数无法直接测量时，可用 ｋ。代替功率因数，ｋ。为功率因数下降系数，如果实际电流 越接近额定电流，此值越接近１，如果越小于额定电流，此 值越小，基本为０．８—０．９５问。 安装变频器后消耗功率估算： ＝ ×（ｎ２／ｎ１） ／Ａｌ从２＝ ｘ（Ｑ２／Ｑ１） ／Ａｌ／Ａ ２ （２） 其中 为电机额定功率。ｎ 为额定转速、ｎ为变频后 期望的转速，该值无法从系统工艺中直接获得，能直接获 得的是挡板或阀门开度，而根据挡板或阀门开度可以估算 流量变化，而转速与流量成正比，因此转换为根据变频前 后的流量Ｑ。、Ｑ 来计算。Ａ 为变频效率；Ａ 为传动效率（主 要是电机效率）。 若改造前原系统为通过挡板阀门调节流量，则在大部 分情况下ｎ ／ｎ 、Ｑ ／Ｑ。均不容易直接得到，容易得到的是阀 门开度，而阀门开度和Ｑ ／Ｑ 存在确定的数量关系。因此通 过阀门开度估算Ｑ ／Ｑ ，对于节能改造的估算具有重要意 义。不同类型风机的风门开度与流量的关系如图４所示。 一 皿 匿 风门开度（％） 图４不同类型风机的风门开度与流量关系 根据关系曲线，可以粗略得出根据挡板或阀门开度估 算流量的方法： Ｑ：／Ｑ【＝（阀门开度） Ｘ １．０５％ （３） 风门开度值的开方值基本为实际风量与额定风量的 比值，然后基本在取大５％的风量后取一个整数值为实际 计算值。此种估算方法只适用于阀门开度在４０％～８５％之 间（绝大多数情况下）。如果风门开度值大于８５％以上，变 频改造基本不节能。如果风门开度值小于４０％时，此估算 ２０１３年第５期・熏糍辍私 ｌ ７５ 方法不准确。 若改造前原系统是通过液力耦合器调速的，则液力耦 合器的运行转速为上式中的１ｌ， ，代入（２）式可以估算安装 变频器后的耗电量。如果液耦实际运转速度大于９０％的额 定速度，基本不节能。如果液耦低速段运行的速度低于 样，我们对常用的一次主电路配置情况进行了研究，设计 出我们的一次主电路配置方案，如图７所示。 图７是一个双母线供电、两个变频器拖动两台电机， 是一个比较完备的总成方案。在大部分情况下是不需要这 么完备的方案的。具体配置要根据现场情况，结合用户丁 艺要求进行配置。可以方便的拆分为一拖一手动旁路、～ 拖一自动旁路、一拖二手动旁路、一拖二自动旁路、二拖一 ３０％的速度，则主要为无功损耗，此时的节电率也很低。 安装变频器前后节能率估算： 叼＝（Ｐｌ— ）／Ｐ１×０．９ （４） （１用１备）等各种一次主电路配置方案。 其中０．９为考虑到理论计算与实际工矿的差异，取的 一个系数。当风机分段变转速运行时，则需分段进行计 ４陕鼓变频节能技术在通风系统中的应用 算，然后按时间权重进行综合。 陕鼓变频节能系统因其独特的技术优势，在风机行 ３陕鼓变频节能系统技术方案 业内获得了广泛的应用。所改造风机功率等级最小为 ２００ ｋＷ，最大为１２ ＭＷ，所涉及的风机类型涵盖了离心式通 基于ＰＬＣ和上位工控机的陕鼓变频节能系统构成如 风机、离心式压缩机、罗茨风机、静叶可调轴流压缩机等各种 图５所示。ＰＬＣ主要进行系统的电气控制和闭环控制，具 类型，为行业内尽可能多的用户带来了可观的经济效益。这 体是否需要构成闭环系统，根据用户的工艺要求和现场需 里主要介绍封闭式环境通风系统风机的变频节能改造。 求确定。系统的控制原理框图如图６所示，其中的主要控 设计封闭式环境的通风风机时，一般根据极端情况所 制算法放在ＰＬＣ中进行。同时ＰＬＣ把所采集的所有信息和 需的风量和风压要求来确定风机的功率。这就导致在相当 故障保护信息传递给上位工控机或者用户的ＤＣＳ系统。上 长时间内通风风机都工作在较轻的负载下，只能通过挡板 位工控机主要用来进行系统信息的存储、显示，留有供用 或阀门来调节，导致大量能源浪费。本文仅以煤矿通风系 户向ＰＬＣ和变频系统传递操作指令的接口。 统为例进行介绍。 由于工程现场条件各异，一次主电路配置方案多种多 山东 煤业有限公司所属煤矿，建矿初期矿井安 高压 电源 一 进线 工控机 或用户 ・■—— —＿ 压力反馈 ＤＣＳ 图５ 陕鼓变频节能系统控制构成图 图６陕鼓变频节能系统控制原理框图 ７６ ｌ霓授辕 霞阐・２０１３年第５期 电机１ 电机２ 图７ 陕鼓变频节能系统一次主电路配置方案 装有２台４—７２—１１ＮＯ２０Ｂ主扇风机，用于煤矿井下通 由表１实测数据可计算得出： 风，正常情况下１台工作，１台备用。配套ＪＳ１３７—８型电 节电率：（工频值一变频值）／工频值ｘ １００％＝３６％ 动机，额定功率为２１０ ｋＷ，电压等级为３８０ Ｖ，额定转速 改造前年耗电量（ｃｏｓ￣＝０．８８７）： 为７３５ ｒ／ｍｉｎ。实测风机排风能力为Ｑ．＝４２１０ ｍ ，ｒａｉｎ。按 Ｗ１＝Ｐｔ＝１．７３２ＵＩｅｏｓ中ｘ２４×３６５＝１４９３２８２．８ ｋＷ・ｈ 煤矿生产安全规程要求的配风量Ｑ：＝３４１０ ｍ ／ｍｉｎ。用阀 改造后年耗电量（ｃｏｓ中＝１）： 门调节风量，风门开度为８０％。 Ｗ２＝Ｐｔ＝１．７３２ＵＩｅｏｓ中ｘ２４×３６５＝ｌ０８９６７６．０ ｋＷ・ｈ 根据风机的排风量与转速之间的关系： 年节电量为 Ｑ１／Ｑ０＝ｎｌ／ （Ｗ１－Ｗ２）＝１ ４９３ ２８２．８－１ ０８９ ６７６．０＝４０３６０６．８ ｋＷ‘ｈ 根据风机、泵类平方转矩负载关系式： 每年节约电费（ｊ安０．６元／度计）： Ｊｐ１／Ｐ０＝（ｎｉｌｎｏ） ４０３６０６．８ ｘ ０．６：２４２１６４．０８元 式中：Ｐｏ为额定转速Ｉｔ，。时的功率；Ｐｌ为转速为１１，。时的 节电效果非常明显。 功率。 计算得Ｐ１＝１１２ ｋＷ。 ５结语 理论节电率为（２１０ ｋＷ—ｌ １２ ｋＷ），２１０ ｋＷ ｘｌＯ０％＝４７％ 改造前后的实测数据如表１所示。 风机变频是变频节能技术推广的首要项目，其变频改 表１ 改造前后的实测数据表 造的基本形式均是针对原有系统大量冗余设计与机械式 风门调节而进行的。陕鼓动力依据风机特性与送风系统特 性，着眼系统整体控制，使变频器输出特性更贴合整体系 统的节能特性，进一步挖掘出节能潜力。经过应用案例举 证，更进一步说明了该系统节能效用的应用推广价值。 ２０１３年第５期・建藏谯燃箴Ｉ ７７