机泵类负载电机中的节电设计及测定
第１０卷第５期２００８年５月
节能节电电子元嚣件主硐
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Ｍａｙ．２００８变频调速技术在风机泵类负载
电机中的节电设计及测定
洪国慧
（江苏盐城卫生职业技术学院影像系，江苏盐城２２４０００）
摘要：给出了应用变频调速技术。并通过改变输入到异步电动机上正弦交流电的频率来实现水泵及风机电机调速的系统设计方法。文中同时提出了一些相关的节电率测试方法。
关键词：异步电动机；变频节能；节电率；测试方法
Ｏ引言
变频调速技术作为一种先进的电动机调速技术，经过十多年的推广。目前在我国各行各业中都有了应用。广大用户对变频器的多种功能也有了一定的认识。但是，许多应用场合仍然是以改进生产工艺为主要目的。这样导致的直接后果就是小功率变频器实现了大量的应用。而大、中功率变频器的应用数量、应用范围仍然停留在较低的水平上。事实上。在以节能为主要目的的变频应用场合，准确快捷地完成节电率的测定，无疑可以让用户直观的看到变频调速设备的节能效果。为此，笔者在变频设备的安装测试过程中，结合现场实际工况，总结出一套行之有效的节电率测试方法。
１交流变频调速技术的节能原理
１．１交流变频调速技术简介
交流变频调速技术是二十世纪９０年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术。主要用于交流电动机的变频调速。其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力偶合调速）。变频调速以其显著的节能效益．高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能．得到了广大
收稿日期：２００７—１０－２９
７８电手元嚣件主用２００８．５删．ｔ！ｃｄｃｋｃｎ，用户的认可．同时在运行安全和可靠性、
安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利，从而使之成为国内外企业电机节能方式的首选。
１．２变频调速的方法
变频调速主要通过改变输入到交流电机的电源频率。来达到调节交流电动机的输出转速之目的。交流异步电动机的输出转速可由下式确定：ｎ＝６０Ｊ≮ｌ－ｓ）／ｐ（１）式中，ｎ为电机的输出转速，．厂为输入电源频率，ｓ为电机的转差率，ｐ为电机的极对数。
由公式（１）可知，电动机的输出转速与输人的电源频率、转差率、电机的极对数有关．因此．交流电动机的直接调速方式主要有变极调速
（调整ｐ）、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机（调整ｓ）和变频调速（调勒等。
变频调速器从电网接收到５０Ｈｚ的交流电后，经过整流、虑波将其转换成直流电。再将直流逆变成频率和电压可调的交流电。最后输出到交流电动机，以实现交流电机的变速运行。
１．３调速节能的原理
通过流体力学的基本定律可知：风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速，ｌ与流量Ｑ、压
力（扬程）硎以及轴功率Ｐ具有如下关系：ＱｌｌＱｚ－－－ｎｌｌｎｚ（２）ＨＪＨ２＝＠ｌ蚴２（３）
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腑∞蚴３（４）式中，Ｑ。、Ｈ。、Ｐ１分别为风机（或水泵）在ｉｒｔ。转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率，Ｑ２、／／２、Ｐ２则分别表示风机（或水泵）在ｎ２转速时相似工况条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。
由公式（２）、（３）、（４）可知，风机的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比。轴功率与其转速的立方成正比。
根据公式（４）可知，在其它运行条件不变的情况下，理论上讲，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系。因此，其节电效果非常明显。
２应用举例
现以西省吕梁市某集团公司６０万吨焦化厂的变频应用为例。该用户在３台１６０ｋＷ的循环水泵上安装了三台烟台惠丰变频器。型号为Ｆ１５００一Ｐ１６００Ｔ３Ｄ。笔者组织完成了该变频器的应用改造项目，并对改造前后的用电量进行了测试，结果证明：该项改造取得了令人满意的效果。
现场工况为３台１６０ｋＷ循环水泵与母管并联安装，这３台水泵由３台１６０ｋＷ（额定电压３８０Ⅵ的异步电动机拖动。由于焦化厂的这部分负荷极端重要，所以按照两台泵并联运行，一台冷备用的方式安排生产。
表ｌ所列是循环泵及拖动电机的铭牌参数。与其配套的异步电动机的标称参数如表２所列。
表１焦化厂循环泵铭牌参数
电机额定额定额定功率转速
型号电压（、，）功率（ｋｗ）电流（Ａ）因数（ａｍｉｎ）
Ｙ３１５ＬＩ－４３∞１６０２８７０．８６１４８５２．１变频改造前的控制方式
当循环水泵在工作中需要改变流量时，可采用水泵入口阀门及出口阀门调节开度的方式来改变水泵的实际流量。该方式称为节流调节，本例的入口及出口阀门开度一般为６０％左右。从电能的利用角度来说．这种调节方式很不经济。２．２变频改造后的控制方式
改造后的循环水泵。工作中的入口阀门及出口阀门均完全打开。当需要改变流量时，采用调节电动机转速的方式来合适的寻新的工作点，以得到合适的流量。改造后的系统可根据现场需要实现自动控制或手动控制。本例中。由于水泵的流量不需要频繁调整，因此，根据现场需要，我们确定电动机的工作频率为４０Ｈｚ。并采用简单的手动控制方式来实现电节能。
根据测试。１６０ｋＷ水泵在安装变频设备后，其节电率为３１．２３％。单台泵每日可节约电能８５０ｋＷｈ；两台合计可节约电量１７００ｋＷｈ，日。每月可节约用电量５１０００ｋ矾。每年可节约电量６１２０００ｋＷｈ。若按每ｋＷｈ电能０．４５元计算，折合人民币２７．５４万元。
２．３变频改造的主要优点
通过改造．本项目具有以下优点：
（１）可实现完全意义上的软启动。电机起动时．转子转速随输入电源频率的增加而缓慢增加。平稳地提升速度。整个起动过程设定为２０８左右。对系统没有任何冲击，明显比原起动方式平稳。
（２）从电网取用的电流大幅度下降，有利于电气设备的安全，同时在降频后，电机转速降低，也可减少机械磨损和故障率，节约维修经费。
（３）为水泵供电的变压器可以空出大量的供电容量。单纯有功负荷的下降所腾出的容量约为９０ｋＷ。设备的利用效率得到了显著提高。
（４）电机功率因数大幅度提高（由原来的Ｏ．８４提高到０．９９），而且运行更加经济。
２．４主要的缺点和不足
该项目所存在的不足主要是以下两点：
（１）由于变频器的输出波形有一定的谐波畸变（不是正弦波），因此，除了众所周知的谐波危
害外．对设备运行存在也不利影响。
（２）变频器的控制方式采用ｙ，肪式，即变频器的输出电压ｙ与输出频率佐比为常数。这样一来，当输出频率为４０Ｈｚ时，对应的输出电压为３０４Ｖ。此时对于电机而言，定子电流将有所上
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升．从而导致运行温度上升。现场调试必须高度，重视电机温升指标，以确保电机安全运行，必要时，应适当提高输出电压ｙ与输出频率厂ｏ
３节电率测试与比较
３．１测试方法
有多种测试方法可以测量电动机在不同的运行方式时的运行指标参数，下面就与节电率计算密切相关的参数测量作以详细说明
（１）电压电流测量法
测定电机运行时候的电压、电流。从而计算出电机从电网中取用的有功功率和无功功率．公式为：
Ｐ＝－Ｉ．７３２Ｕｌｃｏｓ‘ｐ（５）
Ｑ＝１．７３２Ｕｌｓｉｎｑｏ（６）
以上各值皆为瞬时值。上式中。Ｕ值可以用万用表测得，，值可以用钳型电流表测得，妒值可以用钳型相位表测得，这些参数均可容易地在现场用相对简单的便携式仪表测量。
．（２）瓦秒测量法
瓦秒测量方法就是用功率与时间相乘的方法测量电机的有功功率和无功功率。从而推算电机在一定时间内的用电量。
瓦．秒法是电能计量学中用来校核电能表误差的一种简单、方便、有效的方法，这里引用过来对电机的用电情况进行测量。前提是在运行电机的进线处安装感应式三相四线有功表和三相三线无功表。
（３）直接测量法
即安装有功表和无功表。抄读一定时间内的电量。从而考核水泵电机的用电量情况
３．２比较方法
准确地测定计算变频调速的节电率。可以下比较办法：
（１）纵向比较法
纵向比较法，顾名思义，就是自己和自己比。即测定同一台电机在工频运行和降频运行时的电流或用电量，并对两个数据进行比较。需要指出的是，这两个数据是不同时的．但在电机运行工况相对稳定，电流波动不大的场合，作为工
８０电子元嚣件主明２００８．５蝴．ｅｃｄ４王ｃｔｉ，程测量方法。该方法还是很准确的。
（２）横向比较法
横向比较法。就是将自己和别人比。
，在本例中．由于有相同额定功率和工况的电机在并联运行．这样就为我们提供了一个很好的参照值。测量时可以同时测量带变频器运行的电机和不带变频器运行的电机的用电量。并对两个测量结果
进行比较。需要指出的是，由于两台电机在设计及工作状况的微小差异，该数据也不可能是绝对准确的，但是，作为工程测量方法，这种方法还是可以采用的。
３．３节电率的计算
这里可定义两种节电率的计算方法．这两种方法各有特点。可在不造成概念混乱的前提下结合使用，但各有其方便之处。
（１）以变频前数据为基准值的计算方法
该方法所依据的公式如下：
＇７＝（形ｌ一形２）／形ｌ∽
式中，’７为节电率，形。为电机运行在工频时的单位时间耗电量，形：为电机变频运行时的单位时间耗电量。
这个数据算出来后。可以据此预测变频改造的节电量。
（２）以变频后数据为基准值的计算方法
该方法依据的公式如下：
１７＝（Ｗｌ一形２），肜２（８）
利用该方法可在变频改造工程完工后．随时抄读电能表的读数，再乘以节电率，即可方便地计算出已经节约的电能量。
４结束语
目前，关于变频调速的应用，许多杂志均有相近或类似的介绍。本文把重点放在解决变频调速过程中各电气参数的测量上（文中对于现场的安装等只是做了必要的简单交代）。并在测量的基础上计算出节约的电量。从工程应用的角度提出的这些方法，通过单独或结合使用，可以很方便地计算电动机变频调速后用电量的节约程度．这对于验证变频器的节电效果，进而大力推广变频调速的节能应用，具有积极的意义。
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变频调速技术在风机泵类负载电机中的节电设计及测定
作者：洪国慧
作者单位：江苏盐城卫生职业技术学院，影像系，江苏，盐城,224000
刊名：
电子元器件应用
英文刊名：ELECTRONIC COMPONENT & DEVICE APPLICATIONS
年，卷(期)：2008，10(5)
引用次数：0次
1.期刊论文郎广文变频技术节能应用及节电率测算方法探讨-现代商贸工业2009,21(19)
应用变频调节技术，达到改善工况及节约电能的目的.同时，针对性地提出一系列相关的测试方法，方便地测算节电率.
2.学位论文徐建煤矿凿井冻结站智能变频节能控制系统设计2009
冻结法凿井是现在煤矿竖井建设所采用的主要施工手段。目前施工工程中通常是根据以往的施工经验和测温孔、冻结器的温度数据进行盐水流量的控制，没有一个理论的标准，这使得每隔一段时间分析的数据结果对流量的控制没有起到一定的作用，利用率很低，也不能对流量进行实时的控制，导致冻结壁温度场分析的结果不能完全反映实际冻结壁的情况。  @@    另一方面冻结法凿井中多是利用异步电动机去拖动离心泵，但是异步电动机是耗电量最大的设备，而一般来说为了提高安全系数，电动机容量又都选择的比较大，所以易造成运行效率和功率因数降低，导致电能的极大浪费。  @@
本课题设计将温度场温度检测系统、盐水流量检测系统和离心泵变频调速系统结合起来组成冻结站智能变频节能控制系统，通过模糊控制算法对温度和流量分析计算结果进行综合分析，最终通过控制离心泵的转速来改变盐水的和地层之间冷量交换的规模，以保证冻结壁的形成。本设计中采用了单总线结构的温度检测系统以及电磁流量计的流量检测系统。  @@    本课题使用MATLAB软件对控制器进行了仿真研究，得出了采用模糊控制的节能变频调速控制系统的阶跃响应曲线具有上升快，调节精度高，稳态性能好，过度过程短，超调量小等优点。所以采用模糊控制的智能变频节能控制系统是可行的、有效的。  @@关键词：凿井冻结；变频节能；模糊控制；单总线测温；流量检测；温度场分析
3.学位论文牟杰高注塑机变频节能技术改造2006
本文首先总结分析了注塑机在国内外塑料制品行业的应用情况，指出目前80％以上的塑料制品采用注
塑工艺制造。论述了注塑机的工作原理和工作过程，针对目前绝大多数注塑机液压系统使用异步电动机带动定量泵工作的实际情况，结合注塑机的工作过程，分析了目前采用定量泵系统产生能量损耗的原因和对注塑机工作带来的不良后果。分析证明传统注塑机具有30％-60％的节能潜力。      本文立足于实际应用，同时吸收国内外一些先进经验、技术，结合自动控制理论和注塑机工艺过程，对变频调速应用于注塑机的可行性进行了分析。主要分析了以下方面：1.变频注塑机的节能原理，变频改造后对注塑机工作的影响。2.改造后的注塑机合模力，射压力或保持压力等参数是否能满足工艺要求。3.改造后的注塑机射胶速度，会不会受到影响。4.改造后的注塑机产量和产品质量会不会下降。5.变频改造后异步电机和油泵的使用寿命会不会下降。6.变频节能改造的投资效益分析。      分析证明：采用变频电机驱动变量泵构成的液压系统可以保证注塑机系统的正常工作，同时可以大量减少能量消耗，是注塑机节能改造的有效方法。论文详细讨论了变频改造的电路接线，变频器的选用，变频器控制信号的获取和接线方法。对变频电机在保压、冷却、开模取料工艺阶段节能作用、变频调速节能原理，改造原理等作出定性和定量分析，通过具体改造实例，说明了注塑机变频节能改造的可行性和有效性，测试了改造后的节能效果。实践证明，注塑机变频节能改造可得到30％以上的节能效果。
4.学位论文曲刚游梁式抽油机变频节能装置研究2006
游梁式抽油机的载荷特点和其电动机的机械特性不匹配，造成了游梁式抽油机效率低、耗能大，存在“大马拉小车”的现象。针对这一问题，研制了一种采用VVVF控制方式的变频调速系统，调节运行频
率控制电机转速，能有效的实现抽油机的节能，达到降低采油成本的目的。分析了抽油机的节能机理及异步电动机变频调速理论，对变频调速系统的硬件和软件进行了设计。系统硬件部分由主电路、控制电路和故障保护电路组成。主电路部分包括整流电路、中间滤波电路、逆变电路和IPM驱动电路等，开关器件IPM集IGBT驱动电路和多种保护功能于一体，具有高频化、模块化和自保护等特点；控制电路以80C196MC为核心，其波形发生器产生三相互补的SPWM波形信号；系统保护电路包括过压欠压保护、过流保护、过热保护、限流启动、泵升限制和IPM故障保护电路。软件程序实现电机的启动、正反转、频率的给定、A/D中断、故障的判断及保护和SPWM波的生成。最后对变频调速系统进行了MATLAB/SIMULINK系统仿真和实验，仿真和实验结果符合设计要求，表明系统设计方案可行。
5.期刊论文高峰.GAO Feng变频调速技术应用实例及节电率测定方法-山西电力2006(2)
应用变频调速技术，改变输入到异步电动机上的正弦交流电的频率，从而实现水泵及风机的调速运行，可以达到改善工况及节约电能的目的，同时针对性地提出一系列相关的测试方法，可以方便地测定节电率.
6.期刊论文刘文俊.谭亮.谭仁芳苇湖梁发电厂引、送风机高压变频节能效果探讨-电气时代2009(11)
异步电动机是生产企业最主要的动力设备.作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分风机只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗.
2008年公司应用变频节能技术来改造传统工艺的技术缺憾.采用高压变频器对高耗能用电电动机电源进行技术改造成为我公司节能降耗，提高效率的一个重要手段.不仅能降低厂用电，降低供电煤耗，而且能提高机组安全可靠性，减少机组故障.
7.期刊论文王栋变频节能技术应用分析-中小企业管理与科技2009(30)
变频技术，就是通过技术手段，来改变用电设备的供电频率，进而达到控制设备输出功率的目的.变频技术随着微电子学、电力电子、计算机和自动控制理论等的发展，已经进入了一个崭新的时代，完全成熟的技术，也使其应用进入了一个新的高潮.它是通过变频调速改变轴输出功率，达到减少输入功率节省电能的目的.是感应式异步电动机节能的重要技术手段之一.
8.期刊论文余先涛.莫易敏.张春艳.YU Xian-tao.MO Yi-min.ZHANG Chun-yan交流异步电动机驱动空压机的变频节能控制-机电工程技术2005,34(4)
本文阐述了传统大功率交流异步电动机驱动空压机控制的现状及其缺点，提出了变频控制改造方案，并给出了改造的实施方法，同时提出微机监控空压机运行，为空压机节能控制改造和安全运行提供了经济实用的方法.
9.学位论文徐兵采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究2001
该论文完成的博士课题——"采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究"来源于国家自然科学基金"机械/流体传动的节能及新型传动方式的基础性研究"(No.59835160)中的子课题.该论文主要研究了采用蓄能器-液压泵/马达构成的"压力-能量转换装置"来储存/释放变频驱动液压电梯系统的能量，从而降低液压电梯装机功率和运行能耗的新方案；在此基础上，根据国内外液压电梯的标准进行了与速度控制相关的关键项目测试，最后针对该课题研制的节能控制系统与当前市场上几种典型的液压电梯控制系统进行了能耗对比研究.论文的第一章以大量的国内外文献和市场调查为基础，全面论述了液压电梯技术的发展概况；论文第二章首先简要介绍了交流异步电动机变频调速技术的发展概况；论文第三章针对组成系统的各个模块进行了机理建模，并且通过Matlab软件中的Simulink图形化仿真环境进行了该课题系统的仿真研究.论文第四章严格按照国内外液压电梯标准中与液压动力系统相关的一些测试项目进行了研究；论文第五章主要研究典型液压系统的装机功率和能耗问题；论文第六章对该课题研究作了全面的总结，也指出了该课题研究工作中存在的问题和液压电梯节能控制系统的发展方向.
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下载时间：2010年4月6日

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