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变频技术在风机、泵类负载节能中的应用摘要：本文通过变频调速在风机、水泵类设备上的应用，阐述了风机、水泵变频调速的节能原理。
介绍了风机、水泵负载对变频器的性能要求。
关键词：变频器；风机、水泵；节能；0.前言我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。
造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。
由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20％～50％，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。
因此推广交流变频调速装置效益显著。
1.变频调速节能原理1.1变频节能由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果风机、水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。
即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。
例如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8％，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5％。
2.2 功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=S×COSФ，Q=S×SINФ，其中S－视在功率，P－有功功率，Q－无功功率，COSФ－功率因数，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
变频器负载分类及应用一、机械传动系统首先应明确以下名词⑴、机械传动系统：由电动机、传动机构和负载组成；⑵、电动机：系统的动力源，由它拖动系统运行；⑶、简单的传动系统：电动机、连轴器和负载，电动机输出转矩M T ，它与负载的阻转矩L T 大小相等，方向相反，即M T ＝L T⑷、当电动机以转速n 运行时，输出功率为 9550M T n P •= 式中：n — 电动机转速，单位r /min ；M T — 电动机输出的电磁转矩，单位N.m ；P — 电动机轴输出功率，也是负载侧消耗的总功率，单位kW 。
总之：电动机的机械特性 ，必须与负载的机械特性相匹配，整个传动系统才能正常工作。
二、机械传动系统的负载类型及特点⑴、恒转矩负载①、特点：负载的转矩L T 不随转速n 的变化而变化，是一恒定值。
但负载功率随转速成比例变化。
②、典型系统：位能性负载，如电梯、卷扬机、起重机、抽油机等。
摩擦类负载，如传送带、搅拌机、挤压成型机、造纸机等。
例如起重机吊起重物时，重物受到地球引力为L F ，卷绕轮的半径为r ， 则负载转矩为L T = r L F 。
不管电动机的转速如何，因为L F 不变，L T 不变，所以这类负载具有恒转矩特性。
⑵、恒功率负载①、特点：当负载的转速发生变化时，其转矩也随着变化，而负载的功率始终为一恒定值。
② 、典型系统：车床以相同的切削线速度和吃刀深度加工工件时，若工件的直径大，则主轴的转速低；若工件的直径小，则主轴的转速高，保持切削功率为一恒定值。
又如卷绕机，开始卷绕时卷绕直径小，转矩小，则卷绕速度高；当卷绕直径逐渐增大时，转矩增大，则卷绕速度降低，保持卷绕功率为一恒定值。
③ 、恒功率负载的机械特性如图1-1中直线①所示，其转速与转矩之间的关系如图1-1中直线②所示。
⑶、平方转矩负载①、特点：负载转矩与转速的平方成正比，即2L T Kn =。
而负载功率与转速的三次方成正比，即3P Kn =。
简述变频器的工作原理适用场合与参数调节
变频器是一种能够改变交流电动机转速的电气设备,其主要工作原理是利用PWM(脉宽调制)技术控制电动机的输入电压,从而改变电动机的转速。
变频器的工作原理是通过改变电源的电压或频率,来改变电动机的转速。
当变频器向电动机提供PWM信号时,电动机接收到的信号会发生改变,从而改变其转速。
变频器还可以根据需要调节电动机的输出功率,从而实现对电动机的控制。
变频器适用场合广泛,可以应用于各种需要调节电动机转速的行业。
例如,变频器可以被用于工业生产中,如输送带、造纸厂、自动化生产线等,还可以被用于商业领域中,如办公室、商场、酒店等。
变频器的参数调节也是其重要的应用之一。
通过调整变频器的参数,可以实现对电动机的转速、输出功率、电压等参数的调节,从而满足不同的应用需求。
例如,如果想让电动机的转速更快,可以增加变频
器的输出电压;如果想要实现更快的响应速度,可以减小变频器的周期。
除了调节电动机的参数外,变频器还可以根据需要对其进行控制。
变频器作用与功能讲解
变频器，又称变频调速器，是一种能够改变电机转速的电子设备。
主要功能是将恒定的电源频率变为可调范围内的不同频率，从而控制电机的转速和负载运行状态。
下面是变频器作用与功能的详细讲解：
1. 控制电机转速
变频器可以根据需要，调整输出频率，实现电机转速控制。
当电机的负载有所变化时，变频器可以调整电机的转速，以保证电机的稳定运行。
2. 节能降耗
由于变频器可以自动调整电机转速，使电机始终运行在最佳效率点，所以相比于传统的启停控制方法，能节约能源，降低能耗，达到节能降耗的目的。
3. 提高负载适应性
变频器具有快速反应的特点，对于负载的变化，可以及时自动调整输出频率，保证电机在不同负载条件下的正常运行，从而达到提高负载适应性的目的。
4. 增加电机寿命
由于变频器可以调整电机运行状态，提供了更加精准的电机控制，避免了电机在高速、大负载和启动时受到过大冲击，减少了电机的损耗，从而延长了电机的使用寿命。
5. 提高系统可靠性
变频器具有自我保护和遥控功能，一旦出现异常情况，会立即停机并保护电机不受损伤。
同时，也减少了人员操作和维护等因素的影响，提高了系统的可靠性。
总之，变频器是一种能够提供精准电机控制的电子设备，具备控制电机转速、节能降耗、提高负载适应性、增加电机寿命和提高系统可靠性等功能，广泛应用于各种工业领域的电机控制中。
变频器、电机与负载的匹配问题概述：众所周知，变频调速具有可靠性高、调速方便、保护完善和节能约耗等诸多优点，因此在一般调速场合，变频调速已经成了绝大多数用户的第一选择。
但是，新技术也会遇到新问题，本文想就我在实际中遇到的变频器、电机与负载的匹配问题分析如下，谨供大家参考。
问题：我厂生料磨系统有一台φ2.8旋风选粉机，原主轴采用立式直流电机经皮带盘减速后驱动。
2000年由于磨机系统改造，产量增加，电机负载能力不足，将其改造成变频调速，当时选用了安川616G5 45kW变频器（恒转矩）和45kW4极立式电机，改造后变频器运行频率约14-17Hz，基本满足要求。
今年年初，因工艺要求，该电机需要提速至约20.8-24.3 Hz，但速度提升至18 Hz，变频器输出电流就达到80以上，一旦提升至19Hz，电机已经超电流，温度也明显上升，系统已经无法正常运转。
方法：一。
如何打破这一瓶颈？将原有传动系统的速比加大1.5到2倍？原有大小皮带盘直径为660、220mm，现场条件并不具备。
如何提速，有厂家将其更换成了55kw6极电机和55kw变频器，是否必要？笔者经过认真分析，提出了不同的看法。
以下是我厂相关技术参数：1、电机具体技术参数：型号：Y250M-4 45kWPe=45KW，Ue=380V，Ie=84.2A，ne=1440转/分。
2、希望电机转速提升至600-700转/分（20.8-24.3Hz）。
3、变频器运行状况：频率Hz转速转/分电流A功率kW1441460≈1117.551870-80≈1618.553280-85≈18笔者认为：即使在18.5Hz，变频器的输出功率仅为18kW左右，相关的选粉机手册说明，该电机功率与速度关系为：P=kn2.0-2.3 ，在K值一定的情况下，速度即使提升至750转/分（26.04Hz），参照计算所得功率最大也仅在36kW左右，这种情况应当是电机选择不合理所致。
根据电机的功率计算公式：P=T*n/9550二。
变频器应用的常见负载类型变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
1、空调负载类：写字楼、商场和一些超市、厂房都有中央空调，在夏季的用电高峰，空调的用电量很大。
在炎热天气，北京、上海、深圳空调的用电量均占峰电40%以上。
因而用变频装置，拖动空调系统的冷冻泵、冷水泵、风机是一项非常好的节电技术。
目前，全国出现不少专做空调节电的公司，其中主要技术是变频调速节电。
2、破碎机类负载：冶金矿山、建材应用不少破碎机、球磨机，该类负载采用变频后效果显著。
3、大型窑炉煅烧炉类负载：冶金、建材、烧碱等大型工业转窑(转炉)以前大部分采用直流、整流子电机、滑差电机、串级调速或中频机组调速。
由于这些调速方式或有滑环或效率低，近年来，不少单位采用变频控制，效果极好。
4、压缩机类负载：压缩机也属于应用广泛类负载。
低压的压缩机在各工业部门都普遍应用，高压大容量压缩机在钢铁(如制氧机)、矿山、化肥、乙烯都有较多应用。
采用变频调速，均带来启动电流小、节电、优化设备使用寿命等优点。
5、轧机类负载：在冶金行业，过去大型轧机多用交-交变频器，近年来采用交-直-交变频器，轧机交流化已是一种趋势，尤其在轻负载轧机，如宁夏民族铝制品厂的多机架铝轧机组采用通用变频器，满足低频带载启动，机架间同步运行，恒张力控制，操作简单可靠。
6、卷扬机类负载：卷扬机类负载采用变频调速，稳定、可靠。
铁厂的高炉卷扬设备是主要的炼铁原料输送设备。
它要求启、制动平稳，加减速均匀，可靠性高。
原多采用串级、直流或转子串电阻调速方式，效率低、可靠性差。
用交流变频器替代上述调速方式，可以取得理想的效果。
7、转炉类负载：转炉类负载，用交流变频替代直流机组简单可靠，运行稳定。
8、辊道类负载：辊道类负载，多在钢铁冶金行业，采用交流电机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。
变频器在各类负载中的应用1.风机水泵负载类风机水泵变频调速的节电原理：如图示为离心风机水泵的风压、（水压）H-风量（流量）Q曲线特性图：n1-代表风机水泵在额定转速运行时的特性；n2-代表风机水泵降速运行在n2转速时的特性；R1-代表风机水泵管路阻力最小时的阻力特性；R2-代表风机水泵管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。
风机水泵在管路特性曲R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机水泵所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。
由于工艺要求需减小风量（流量）到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机水泵的工作点移到R2上的B点，风压（水压）增大到H2，这时风机水泵所需的功率正比H2Q2的面积，即近比广BH2OQ2的面积。
显然风机水泵所需的功率增大了。
这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。
若采用变频调速，风机水泵转速由n1下降到n2，这时工作点由A 点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机（水泵）所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。
风机水源节能的计算：风机水泵流量变化量，如前所述，采用变频调速是节电之有效的措施。
如下的计算公式。
采用档板调节流量对应电动机输入功率P1V与流量Q的关系为：P1V≈[0.45+0.55(Q/QN)2]P1e（1）式中：P1e——额定流量时电动机输入功率（kW）。
Q N——额定流量变频调速时电机功率与流量关系为P1V≈(Q/QN)3P1e需要注意的是水泵静压不为零时功率与流量不在保持比例而且为了保持最小需要的压力，转速不能随意降低，应该以最小需要的压力确定最低频率，防止频率过低引起的压力不足问题。
在串联风道的情况下，风机会被吹的自己旋转，启动过程容易过压保护，故变频器应设置成飞车启动模式。
在恒压供水系统中，功率只和流量的一次方成正比，不和转速的3次方成正比。
风机水泵并联运行风机水泵并联运行基本规律是并联后的总量等于并联各泵流量之和，并联后产生的扬程与各泵产生的扬程都相等当并联水泵一台变频其余工频运行时，变频器应设最低运行频率，防止压力太小导致没有流量而白白消耗功率。
选择变频泵时应选择流量和扬程最大的一台。
如果变频带的泵太小容易引起喘振，即多启动一台工频泵压力太大，而少启动一台工频泵压力太小，造成频繁启停工频泵。
2.中央空调，在夏季的用电高峰，空调的用电量很大。
因而用变频装置，拖动空调系统的冷冻泵、冷水泵、风机是一项非常好的节电技术。
中央空调节能分析分解为水泵和风机节能分析不再叙述3.破碎机类负载冶金矿山、建材应用不少破碎机、球磨机。
破碎机具有负载冲击大启动转矩大地特点，变频器选型应加大一档。
变频改造后效益1)节约能源变频器控制破碎机与传统控制的破碎机比较，能源节约是最有实际意义的，根据所破碎的材料来调节电机转速工况是经济的运行状态。
2)提高破碎效果变频控制系统具有精确的转速控制能力，使电机的输出与负载相匹配。
用户可根据材料和所需出料粒度调节合适的速度，变频控制破碎机的输出力矩随着负载变化而改变，有效地提高了工况的质量。
3)延长破碎机的使用寿命变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。
球磨机的节能目前仅从两方面考虑，去掉液力偶合器使用变频器的节电率为8%，利用变频器的节能模式调节可有3%的节能，两项相加共有11%的节能，由此可见，对球磨机进行变频改造还是可以达到节能的目的。
需要注意球磨机是重载启动，变频器要加大一档，而且需配制动单元才能正常启动。
4.大型窑炉煅烧炉类负载冶金、建材、烧碱等大型工业转窑（转炉）以前大部分采用直流、整流子电机、滑差电机、串级调速或中频机组调速。
由于这些调速方式或有滑环或效率低，采用变频调速可大大提高系统可靠性减少维护时间，同时节约大量电能。
5.压缩机类负载压缩机也属于应用广泛类负载。
低压的压缩机在各工业部门都普遍应用，高压大容量压缩机在钢铁（如制氧机）、矿山、化肥、乙烯都有较多应用。
采用变频调速，均带来启动电流小、节电、优化设备使用寿命等优点。
6.皮带机类负载皮带机驱动系统基本结构启动停止方式1）启动程序制动器送电——松闸——电机送电——运行2）停机顺序电机停电——制动器停电——抱闸停机1）.真正实现了皮带运输机系统的软起动运用变频器对皮带运输机进行驱动，运用变频器的软起动功能，将电机的软起动和皮带机的软起动合二为一，通过电机的慢速起动，带动皮带机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使皮带机在起动过程中形成的张力波极小，几乎对皮带不造成损害。
2）.实现皮带机多电机驱动时的功率平衡应用变频器对皮带机进行驱动时，采用主从控制，实现功率平衡。
3）.降低设备的维护量变频器是一种电子器件的集成，它将机械的寿命转化为电子的寿命，寿命很长，大大降低设备维护量。
同时，利用变频器的软起动功能实现皮带运输机的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部份的检修量。
相应的降低了维修费用。
4）.方便皮带检修和使用采用变频调速后，可将皮带机运行速度降到很慢，解决了以前由于皮带机运行速度过快而难于检修皮带的问题，提高了皮带的检修效率。
具有启动信号，停止信号、紧急停止信号、供电电源开关信号、远方/就地切换开关、报警复位开关功能5）.节约能源通常情况下，煤矿用电机在设计过程中放的裕量比较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。
由电机设计和运行特性知道，电机只有在接近满载时才是效率最高、功率因数最佳，轻载时降低，造成不必要的电能损失。
这是因为当轻载时，定子电流有功分量很小，主要是励磁的无功分量，因此功率因数很低。
采用变频器驱动后，在整个过程中功率因数达0.9以上，大大节省了无功功率。
采用变频器驱动之后，电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力偶合器这个环节。
而液力偶合器本身的传递效率是不高的，并且液力偶合器主要是通过液体来传动，而液体的传动效率比直接硬联接的传动效率要低许多，因而采用变频器驱动后，系统总的传递效率可提高5%～10%。
在变频运行中，在运煤量不大的下或空载的情况下，可将皮带机的运行速度降低，也可节约一部分电量。
7.卷扬机提升机类负载卷扬机类负载采用变频调速，稳定、可靠。
铁厂的高炉卷扬设备是主要的炼铁原料输送设备。
它要求启、制动平稳，加减速均匀，可靠性高。
原多采用串级、直流或转子串电阻调速方式，效率低、可靠性差。
用交流变频器替代上述调速方式，可以取得理想的效果。
矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。
提升机的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。
山西某煤矿井下采煤，采好的煤通过斜井用提升机将煤车拖到地面上来。
这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电机的转速一定规律变化。
斜井提升机的机械结构示意如下图所示。
斜井提升机的动力由绕线式电机提供，采用转子串电阻调速。
目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器—交流接触器控制。
这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。
提升机电控系统不足之处挡位调节，调速不连续，运行中机械振动大，矿车冲击大，制动不安全；（2）启动及换挡时冲击电流大，启动电流一般是额定电流的2-3倍，有时会更大，如果加速快，甚至会引起总开关跳闸；（3）调速时大量的电能消耗在电阻上，不但浪费严重，也造成工作环境的恶劣，空间噪声大；（4）维修量大，不方便。
由于操作时交流接触器频繁动作，易造成触点及线圈的烧坏，转子更换碳刷频繁；（5）耽误生产。
矿井是连续24小时工作，生产量大，任务繁重，由于电控系统设计落后，制造工艺落后，即使是短时间的维修，也会给生产带来损失。
矿山提升机普遍用串电阻调速方式，大量能量消耗在转子串联电阻上，而且调速复杂，故障率高维修难度大，冲击电流大，对电网容量要求大，采用变频调速可减小电网容量要求，无极平滑调速可减小系统冲击，避免掉道等故障。
采用变频调速后可用行程开关实现自动减速自动停车等。
变频器加装制动单元或回馈单元防止再生发电引起的直流过电压故障。
8.辊道类负载辊道类负载，多在钢铁冶金行业，采用交流电机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。
可用一台变频带多台电机V/F控制方式运行，降低设备成本。
对频繁正反转的辊道需加大变频器容量而且要加装制动单元防止变频器过压跳闸。
9.运送车类负载煤矿的原煤装运车或钢厂的钢水运送车等采用变频技术效果很好。
起停快速，过载能力强，正反转灵活，达到煤面平整、重量正确（不多装或少装），基本上不需要人工操作，提高了原煤生产效率，节约了电能。
10.搅拌机类负载搅拌机械在化工、制药、食品、水产业、塑料等行业的生产过程中应用很广泛，搅拌机械在设计时均是按使用工况的要求考虑一定余量，而搅拌机在实际使用过程中，则不一定要在最大转速下工作，有很多时间都可以工作在非满载状态；传统的搅拌机通常不进行调节或采用机械方式调速；机械方式调速会增大搅拌机的损耗，同时会使搅拌机工作在波动状态，也使搅拌机设备工作在“大马拉小车”的状态，很不经济。
由于泵类设备的电动机在变频调速方式下运行时的功率与其转速（频率）的关系可知：变频器调速方式的节能效果很高，胜过以往的任何一种调速方式，并可通过节能在较短的时间里收回投资。
因泵类负载与液体搅拌机负载相似，故通过在搅拌机设备上加装变频调速节能装置,则可一劳永逸的解决好传统搅拌机在使用过程中存在的很多题目，并可通过变频节能收回投资。
搅拌机变频方案根据搅拌机配置及运行转矩大的特点，通常是在搅拌机上加装设一套变频器(选型比电机功率放大一档)调速装置；保存搅拌机原工频系统，并与搅拌机的变频系统互为备用可相互切换使用，工频与变频之间设互锁。
在实际工作的过程中，可以根据搅拌物料的特性以及加进其它化学物质的时间不同，可以采用变频器的程序运行功能，可以设定多段不同速度，不同时间的自动程序运行模式，大大减轻工人的劳动强度，进步生产效率。
利用变频器的通讯功能，配合工控机和组态软件等，还可实现与主控室进行联网控制，便于监控职员自动化治理。
为确保系统可靠性，建议在变频系统上增加工频软启动旁路装置，订做工/变频一体柜。
搅拌机改造变频调速装置的优点1）.软启动/软停止方式可减小启动冲击电流；3）.变频器带有智能保护，故障时可自动停机；4）.可根据不同的工艺采用不同的转速；5）.通过变频调速实现节能：由于搅拌机的电动机在变频调速方式下运行时的功率与其转速的特性与泵类负载相似，即其运行功率与其转速（频率）的三次方成正比，粘度高的该比例会有所下降（一般会介于二次方与三次方之间）。
