變頻技術在風機、水泵節能改造中的應用研究

當前變頻技術正處于不斷完善與發展的過程中，調速性能亦在不斷完善之中，同時其交流調速功能也在諸多領域得到了廣泛的應用。本文首先簡單地介紹了變頻技術的概況，然后分析了變頻器在風機控制系統中的應用，通過對變頻原理的闡述，體現出變頻技術在風機、水泵節能改造中的主要優勢，并研究了在風機、水泵節能改造中變頻技術的一些應用。

據相關研究表明，在我國整體電機裝機量組成成分中，風機與水泵配套電機系統占據其中的60%左右，所耗費的電能約占據我國總發電量的30%。當前很大一部分電廠依然選用傳統擋風板及相關閥門的自主控制方式來調節風機的風力、液體流量，控制其壓力，本質上主要是采取人為干涉附加阻力的方式，以高成本、高能量消耗的工作方式作為生產運作的前提。此種傳統的調節技術不僅是浪費電能的表現，同時由于其整合準確度較低，調度精度有限，不能較好地迎合現代化工業生產運作的需求。因此，為了走可持續、科學發展的道路，做到能源的最優配置，需對風機、水泵系統實施變頻節能改造。

1 變頻技術概述

變頻技術屬于電子技術中的一種。變頻器主要是基于變頻技術而衍生的電氣設備，用于調控電源頻率，通常應用在較大一部分以電機帶動為主要驅動力的場合中。它具備高精度的速度控制優勢，能夠準確、快速地對機械設備傳動升降進行控制，同時調節其變速運行。變頻器不會受到電機復雜系統及工作條件的限制，能夠維持較長時間在高負荷的工況中運行。變頻器主要由鍵盤、電源板、控制主板、整流橋、電解電容、充電電阻、繼電器等部件構成。其低頻力矩較大，輸出比較平穩，能夠進行高性能的矢量控制，轉矩動態響應速度較快，穩速精度高，減速停車響應速度較快，同時具備較強的抗干擾能力。將變頻技術應用于電機改造中，能夠充分發揮其自身優勢，達到節能的目的，為機械生產奠定良好的控制基礎。

2 變頻控制器在風機控制系統中的應用

2.1 系統框架

變頻控制器在風機控制系統中的應用主要通過預先輸入風壓設定值，通過風壓傳感器將預設的風壓信號傳輸至變頻控制器，然后通過預先編制的程序實施運算，并根據壓力變化調節不同的控制信號，進而改變風機運轉速度，達到調控風壓的目的。然后風壓通過傳感器將信號傳輸至變頻控制器，以實現其自動控制。在變頻前提下，通過改變風機輸入的電壓情況，即可實對電機轉速的控制。設定n為風機轉動速度，f為其轉動的頻率，p為電機的風力級別。則可將電機的轉動速度表示為

同時可將改變風機的變動速度，來控制風機的運作情況的關系通過公式體現。同樣以n表示風機的轉動速度，以Q表示風量情況，P表示風壓，N為風機的功率。此時便可得出 1式：，2式：，3式：。將1、2式代入系統曲線公式中，經過公式換算，則可得出。通常在使用風機時，其風量、風壓的預先設定值必須大于實際生產運作的需要。一般壓力需超過標準值的20%左右，風量則需超過約10%。原始的調控方法雖然相對而言比較簡單，但選用傳統的擋板式閥門調節方式不僅會導致能源的浪費，同樣會在一定程度上造成噪聲污染。

2.2 變頻技術節能原理

(1)風機節能原理。風機改造中應用變頻技術原理，主要基于降低空氣內部阻力的視角，來達到節電、節能的目的。較之常規的原始調節方法而言，其節電優勢較為明顯。風機運行曲線圖如圖一所示。其中1、2、3、4分別代表四種不同的變頻控制曲線，曲線1為風機在轉速一定的情況下的風壓及風量，曲線2表示在風門全開情況下管網內部風阻的特性。曲線4則表示風門全開情況下變頻運行的情況。若設定風機于A點時運作效率最佳，此時橫縱軸分別對應的風量為Q1，風壓為H2，此時若將風量降低，調節至Q2的位置，此時相當于強化管網的阻力，同時風機阻力特性增加，風壓并沒有下降，反而增高。由此可知，風機的軸功率與其曲線面積呈正相關。據曲線模型分析，可知采用變頻技術調節后，功率顯著降低，具備良好的節能效益。以流體力學原理作為參考，當變頻器在實施風速調節時，轉速與風量同時下降，此時系統功率也在同步下降，節能效益較為可觀。

(2)水泵節能原理。相較風機而言，水泵具有較強的連續性，傳統的電廠供水系統中，水泵機組要么工頻運行，要么備用，且主要由技術員操作切投，這就直接導致水管壓力不恒定，能耗高。為了改變這種狀況，某電廠將變頻調速技術應用于電廠供水系統，經過改造后，供水母管壓力穩定，表現出了顯著的節能效果。

變頻器恒壓給水控制原理圖。該系統由DCS控制電機的切投，而與電機直連的變頻器則提供經過有效變頻的電源，其驅動信號由DCS內置的PID調節器提供。從結構原理上看，該系統首先將預設的水壓、水位等信號與母管相關信號對比，得出一個差值信號，以該信號指導DCS切投電機，而DCS又能通過內置PID調節器輸出信號，使變頻器發出一個合理的頻率信號，從而控制電機轉速，以此調節母管壓力。

該電廠通過此改造，結合實際工藝要求，采集母管多點水壓信號，得出合理的平均值進行控制，后續通過MATLAB結合Simulink仿真，選取PID參數，靜動態輸出相應均比較優秀，實際運行中也取得了良好的效果。

3 變頻技術改造的主要優勢

首先，通過變頻技術改造后，能夠將電機的啟動電流控制在一定的范圍內。在未實施改造前期，電機若直接啟動，則電流的消耗將大于標準電流的5倍左右，此時由于電流值過大，導致電機機組由于電應力作用，產生過多的熱量，造成能源浪費，導致其機組使用壽命降低。而采用變頻技術改造后，通過變頻調速，能夠在轉速、電壓為零的情況下實現機組的啟動，有效降低啟動時的電能消耗，強化機組內部繞組的承載力，延長其的使用壽命。

其次，減少機器控制的電壓波動。在大型設備電機啟動初期，電流的迅速增加會在一定程度上導致電壓波動頻繁，傳統電機電壓控制主要由其電機的功率及配置電網的系統容量所決定。若硬性降低電壓，則會導致配電網絡系統異常，發生跳閘等現象，影響電機的正常運作。而在風機、水泵改造中應用變頻技術后，能夠實現電機零壓啟動，保持電壓處于正常范圍內，在設備工作負荷較小的情況下，實施低速運行，顯著降低能源消耗，且減少電機之間的磨損、熱量消耗，能夠有效延長機組的使用壽命，同時在降低運作成本方面的作用也較為顯著。電機的能量消耗與其運作轉速呈正相關的函數關系，實施變頻傳感控制后，有效調節不同時段設備的運作情況，降低電壓、電流的波動速率，降低維修率，延長機器設備的使用壽命，最終使企業走上可持續發展的道路。

4 結束語

綜上所述，將變頻技術應用于大型設備的交流調速中，能夠顯著體現其性能優勢，針對風機而言，變頻控制器條件能夠有效取代傳統能耗較為嚴重的擋風板式調節，降低風機的電流沖擊，減少機械設備的震動頻率，降低設備故障產生的幾率，減少設備的維修量，實現風量、風壓的自動調節，達到節能的作用。對于水泵改造來說，將變頻技術應用于節能改造中，能夠顯著降低水泵壓力的浪費，避免機器做較多的無用功，將水泵電動機的運行壓力控制在正常范圍內，降低壓力能源的消耗，優化電機能源配置，減少運作成本。總之，在風機、水泵電動機改造中應用變頻技術，能夠充分發揮其自身優勢，達到能源最優利用的目的。