热源厂风机水泵变频节能改造

供热行业风机水泵变频节能改造

内容提要：在工业生产中，风机和水泵是应用最为广泛的机械设备。供热行业中，热源锅炉、换热站的主要附机设备就是风机和水泵。其耗电量占到用电总量的80％以上，可见风机和水泵的变频改造具有很大的节能潜力。风机和水泵都属于平方转矩类型的负载，如采用变频控制，将具有显著的的节能效果。同时由于变频器具有高的可靠性和可控性，可以方便地和上位机、DCS等控制系统连接，实现远控自控，提升系统的自动化程度。所以，在供热系统中推广使用变频器具有广泛的实际意义。

关键词：供热、风机、水泵、变频、节能改造

一、变频器的基本工作原理

变频器的主要控制对象是三相鼠笼式异步电动机。异步电机的同步转速为：

n0=60f/p

f—电源交变频率，单位Hz； p—电机定子磁极对数。

异步电机轴输出速度为： n=(60f/p)(1-s) s—转差率

由上式可见，改变电机的供电频率即可改变电机的转速，这就是变频器调速的基本原理。

二、水泵和风机工作特性

供热系统中，水泵绝大多数是离心式水泵，风机为离心式风机，二者工作特性基本相同，都属于平方转矩负载。转速n、流量Q、扬程H（风机为出口压力）和轴功率N具有如下关系：

?n1??n1??n1????? Q1=Q2? H=H N=N 12?12?????n??n2??n2??2?23上式表明，泵或风机的流量和其转速成正比；扬程（送风压

力）和转速平方成正比；轴功率和转速立方成正比。对于平方转矩负载而言，如果降低转速，那么其轴上消耗的功率将显著减少。

1

三、传统流量调节方法和变频调节的分析

风机水泵传统调节方法大多采用靠改变出口阀门开度来达到调节流量的目的，这种方法的实质是通过改变管道阻力系数来影响设备的输出量，如锅炉的鼓风机、引风机的出口调节阀，循环水泵的出口调节阀，都是通过这种手段达到调节输送介质流量的目的，阀门开度减小，介质通过阀门的阻力增加，消耗掉的功率上升，在风机和水泵轴功率不变的情况下，输送介质形成的扬程和流量都将降低。也就是说，风机和水泵生产效率降低了。如果改用变频器调节风机水泵转速来调节介质流量，通过以下对比，可以说明在提高设备效率方面具有明显的优势。

② 节能部分 H2 H1

B A ④ n1 ③ ① 扬程H H3

C ⑤ n2 O Q2

流量Q

Q1

泵的扬程—流量曲线

上图是泵的流量Q与扬程H的关系曲线。图中,曲线①为泵在转速n1下扬程—流量（H—Q）的特性；曲线⑤为泵在转速n2下扬程—流量（H—Q）的特性；曲线②为泵在转速n1下功率—流量（P—Q）的特性；曲线③、④为管阻特性。假设泵在标准工作点A点效率最高，输出流量Q为100%，此时轴功率P1与Q1、H1的乘积

2

面积AH1OQ1成正比。根据生产工艺要求，当流量需从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门方法（相当于增加管网阻力），使管阻特性从曲线③変到曲线④，系统由原来的标准工作点A变到新的工作点B运行。此时，泵扬程增加，轴功率P2面积BH2OQ2成正比。如果采用变频器控制方式，泵转速由n1降到n2，在满足同样流量Q2的情况下，泵扬程H3大幅度降低，轴功率P3与面积CH3OQ2成正比。轴功率P3和P1、P2相比较，将显著减小，节省的功率损耗△P与面积BH2H3C成正比，节能的效果是十分明显的。

四、风机水泵变频改造的实施

1、改造方案的设计

首先应清楚设备的参数，包括三相异步电机参数（功率，电压，电流，转速，磁极对数，绝缘等级等）；电缆参数（载流量，电压等级，敷设长度，敷设路径）；电动机正常生产时的工作电流，调节阀的正常开度。

电机和电缆参数用来确定其性能是否满足变频器传动时的技术要求。

电缆除电压等级和载流量符合要求以外，还应考虑电缆的敷设长度，这一点非常重要。因为在电缆线路和大地之间存在着分布电容，电缆线路越长，分布电容容量越大，而且变频器输出存在着较高的高次谐波，这两个因素的共同作用可能导致变频器的过流保护，不能正常工作。另外一点，由于变频器的工作原理是对商用电源的整流，滤波，逆变之后输出到电动机，其整流部分的直流电压为输入交流电压的2倍，变频器输出电压的峰值通常等于该直流电压。但是由于变频器和电机配线之间存在的分布电容和电感，加之变频器内部开关元件的高速通断，会导致线路中电感和电容发生谐振，产生浪涌电压，这种浪涌电压的峰值最高可达到变频器直流电压的2倍，约1200V左右。因此可以确认，电机端子的电压随着配线长度的增加而升高，在达到变频器直流电压的两倍左右达到饱和，即使配线长度较短，只要输出电压上升的时间越短，电机端子峰值电压依然会超出其额定电压较高值。有时这种电压会导致电机绝缘击穿破坏。因此，改造中如果发现旧的电机绝缘强度已经降低，建议加装输出侧电抗器或输出滤波器，或重新修理电机提高其绝缘强度。据日本富士公司的统计结果显示，因为浪涌电压损坏的电机发生概率为0.013％。变频器一般要求电缆长度不超过50米,如果电缆长度超过要求长度，出于对

3

以上两个原因的考虑，变频器输出端必须加装电抗器，以滤除变频输出中的高次谐波和抑制电压的上升速率，防止发生过流和浪涌电压。电缆的敷设路径主要考虑对弱电系统的影响 ，如仪表和通讯等线路，线路之间应保证足够的间距，如果条件允许，最好采用接地的金属汇线槽对弱电线路作电磁屏蔽。

变频器的选择，变频器的选择主要包括两部分工作，一是型号的选择，二是容量的选择。

变频器的型号应该根据负载的性质进行选择，主要考虑机械的启动转矩和机械特性需求，启动转矩越大，要求变频器低频时输出转矩越高。行业习惯一般根据拖动的负载将变频器分为变转矩和恒转矩两类，变转矩变频器一般为V／F控制方式，即调整输出频率的同时调节输出电压，压频比保持恒定，这类变频器低频输出转矩较恒转矩变频器低。恒转矩变频器一般为矢量控制变频器，其低频输出转矩最高可以达到200％。离心式风机和水泵的启动转矩一般不超过额定转矩的50％，同时离心式风机和水泵的机械特性相对较软，V／F型变频器就可以满足要求。所以，在改造中，选择V／F型变频器可以满足大部分场合的使用要求，并且具有较好的性价比。

在选择变频器容量时，应实地测量电机的工作电流，并结合调节阀的开度综合考虑。如果电动机未发生过载，并且风机或水泵输出介质流量满足生产需求，就可以根据电动机的额定电流选择变频器的输出电流，原则是变频器输出电流大于或等于电机工作电流，这样就可以确定变频器容量。

以上两个方面是方案的主要因素，其它方面还应考虑变频器调节信号的给定方式，变频器外围元件的选择，变频器工作的外围环境以及变频装置和环境的电磁兼容性等方面，不作为本文重点陈述。

2、变频装置的实验

一套新的变频装置投入使用前，为保证正常使用，必须经过实验。实验过程可分成三步： （1）、空载实验。

空载试验是装置不拖动电机的情况下进行变频器的启动、停止、输出频率调节，主要目的是检验外围电路的可靠性，由于控制地大部分选择在工厂的中心控制室，而变频器大部分安装在现场或专用场所，外围电路是保证装置和控制室连接的唯一途径，其可靠性是正常生产的前提。 （2）、带载实验

4

在保持原有调节阀开度不变的条件下，将变频器的输出频率从启动频率增加到最大频率，再从最大频率减小到最低频率，整个过程中应考察启动转矩是否合适，加速时间和减速时间设置是否合适，风机和水泵是否在发生喘震。如果启动时发生堵转，说明启动转矩不足，可以通过提高启动频率或提升转矩补偿来增加启动转矩；如果加速时发生过流，说明加速时间过短，应该增加加速时间；如果减速时发生过电压，说明减速时间过短，应延长减速时间；其中最为重要的是整个过程中风机或水泵都不应发生喘震，喘震是由于传动电机在某一个频率点产生的振动频率和系统的固有频率正向叠加造成的。喘震现象可能发生在电机运行过程的一个或几个频率点，由于这种现象据有较大的危害性，所以必须引起高度重视。如果在某点发生喘震，变频器有频率跳跃功能，可通过调节相关参数将此频率跳过。 （3）、阀门开度的确定

调节阀是一个必须考虑的因素，其主要作用是影响风机或水泵的工作点。由于风机和水泵在设计时都留有较大的裕量，正常工作时一般工作在轻载状态。为了最大程度的减少管道阻力，达到最佳节能效果，在电机不发生过负荷的情况下，调节阀开度应开到最大。可以采用实验的方法确定阀门开度，在保持原来调节阀正常开度基础上，调节变频器输出达到50HZ,此时观察变频器输出电流，如果达到满负荷，说明阀门开度已经达到最大，再加大阀门开度，随着工作点的下移，装置将发生过负荷。如果此时电流小于电机额定电流，可以逐步加大阀门开度，直至变频输出达到电机额定电流，此时阀门开度就是装置的最大开度，管道阻力系数最低，节电效果最好。

3、节能效果的分析

在分析节能效果时，要在输出介质流量相同的基础上进行比较。电动机的耗电量按有功功率计算。应该注意的是，使用阀门调节流量和使用变频器调节流量时，电动机的功率因数是不同的。使用阀门调节流量时，电动机功率因数较低，电流往往较高；使用变频器调速时，电机功率因数较高，电机电流往往较低；计算节电率时，不能假设功率因数不变，而单纯比较电流的变化。电动机耗电量如下： p有?3UIcos?

在比较两种调节方式耗电量时，电压，电流，功率因数都应单独测量得到。实际上，变频器大多具有输出功率计算功能，可

5

以从参数中直接读取。实际工作中，风机和泵类变频改造后，节电率可以达到10---40%.、

六、综上所述，变频改造不但可以节约大量电能，而且，由于变频器具有优良的软启动、软停止功能，可以减少机械的启动冲击，应用在水泵上还具有消除水锤的作用；对于机械的运动部件，变频调速后，转动速度可以从额定转速降到较低的转速，机械磨损减少，可以大大延长使用寿命。

可见，在暖通行业推广使用变频器意义重大。

参考文献： 1、《电气变频调速设计技术》主编：杜金城 中国电力出版社。 2、《通用变频器及其应用》主编：韩安荣 机械工业出版社。 3、《富士变频器用户手册》主编：日本富士电机制御株式会社。

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/540v.html