风机高压变频调速改造及节能原理

浅析高压变频工作原理及节能原理1.高压变频电机调速分析变频调速技术是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技术。

目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。

从大范围来分，电机有直流电机和交流电机。

过去的调速，多数用直流电机，因为直流电机调速容易实现。

但直流机固有的缺点：滑环和碳刷要经常拆换，给人们带来太大的麻烦。

后来人们开始将调速用到可靠简单的笼式交流电机，于是就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。

到20 世纪80 年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了对交流电动机来说更好的变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电机调速方式甚至直流电机调速，并成为电气传动的中枢。

因而说变频调速是时代的产物，只有在技术高度发展的今天，才能实现。

调速方式主要有串级调速、内反馈串级调速、液力耦合器调速、高压变频调速等方法。

但前三种方法都有其不可避免的缺点，串级调速缺点包括：难以实现系统配套、控制系统复杂、对电网影响大；内反馈串级调速缺点包括：电机需要配套、容易出现事故、对电网影响大、和设备老化快；液力耦合器调速缺点包括：精度低、启动电流大、维修困难成本高。

由于目前电力电子技术的发展，计算机控制技术的进步，现代通信技术、高压电气以及电机拖动等综合性领域的学科技术不断成熟，因此相比于其他调速方式，高压变频调速有无法比拟的优点：（1）由于变频器采用的是液晶显示界面，触摸式调整面板，可以同步显示电压、电流、电机转速、频率，所以可以非常直观的显示出电机工作时的状态。

（2）准确地显示频率分辨率以及精确的调速精度，可以满足全部生产工艺状况的需要。

（3）高压变频器带有国际通用外部接口，可以与可编程控制器及工控机等仪表相互连接，还可以与其原设备控制回路相互连接，构成部分闭环系统。

（4）由于具有工业电气保护和电力电子保护功能，保证高压变频器以及电机在运行正常或故障时有可靠的安全保障。

变频调速节能装置的节能原理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、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。

3、软启动节能由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于(4-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。

而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。

节省了设备的维护费用。

在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载，占整个用电设备能耗的40%左右，电费在自来水厂甚至占制水成本的50%。

这是因为：一方面，设备在设计时，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工况的变化，需要泵机输出不同的流量。

随着市场经济的发展和自动化，智能化程度的提高，采用高压变频器对泵类负载进行速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。

节能原理及计算方法一、节能原理风机和水泵，前者工作介质为液体，均属于流体机械设备。

下面以风机为例说明它们的工作特性。

特别是离心式风机及水泵，工作特性基本相同。

以下就以风机为例说明他们的调速工作原理。

风机的工作特性图如下：风机的工作特性图由上图可以看出，风机工作的位置，即风机的风量是由风机特性曲线（风压特性）和管网特性曲线（风阻特性）决定的，无论是改变风机的特性曲线，或者是改变管网特性曲线，都可以达到改变风量的目的。

图中：风机特性曲线 HA =kQ12K——风机特性系数；管网特性曲线 HA =Hc-λQ12λ——管网特性系数。

（一）工频工作方式工频工作方式是指泵的特性曲线保持不变，而改变管网特性曲线。

通常采取的方式是保持风机的特性曲线不变，即不改变风机的转速，而用调节挡板改变出风口的大小，达到改变风量的目的。

如下图所示：工频工作方式时风机的工作特性图从图中可以看出，风机工作在A点时，风量为Q1，风压为H1。

保持风机的转速不变，用挡板将风量调节为Q2时，风压将上升到H2，风机工作点变为B点。

由于挡板的节流作用，风道的阻力曲线变为OB。

风机工作在A点时，其功率为PA ＝H1×Q1/102；风机工作在B点时，其功率为PB ＝H2×Q2/102。

虽然Q2<Q1，但H3>H1，所以PA与为PB的值变化不大，说明采用工频工作方式时，改变风机的风量，风机的轴功率减小有限。

（二）变频工作方式变频工作方式是指管网特性曲线保持不变，而改变风机的特性曲线。

通常采取的方式是保持管网特性曲线不变，即不改变风机出口的大小，而改变风机的特性曲线，即改变风机的转速，达到改变风量的目的。

如下图所示：风机工作在A点时，其功率为PA ＝H1×Q1/102；风机工作在B点时，其功率为PB ＝H2×Q2/102。

Q 2<Q1，而且 H2>H1，所以PA与为PB的值变化较大，说明采用变工频工作方式时，改变风机的风量，风机的轴功率减小很大，节能效果显著。

0引言风机在发电厂、煤炭企业中应用非常广泛，总体来说给我们的工作带来了很多便利。

但由于在以往的风机中，针对风量的控制一般所使用的是挡板阀门的方法，这种方法不仅工作效率较低，而且在工作时其对于能源的利用率也比较低，这就在一定程度上加大了企业的负担。

基于此，做好风机改造工作，引入高压变频技术是将来的一种趋势。

因此，对风机高压变频改造的研究具有非常重要的实践意义。

1风机高压变频改造研究中相关概念的界定风机就是通过输入的机械能对气体的压力进行有效地提升，最终进行气体排放的器械，它属于一种从动的流体机械。

而变频器调速主要是指在电源频率改变时，电动机的转速也会按照一定的比例出现变化。

风机变频改造主要就是通过变频器来对电源频率进行改变，进而影响电机转速，它可改变风机的性能曲线，最终起到改变风量、调节风机工况的目的。

理论上说，风机高压变频改造的原理是频率越高，电动机的转速会越大，公式为：N ＝60f （1－s ）／P 。

一般来说，无级调速具有稳定性的特点，这一点对类似于风机的平方转矩类负载效果尤为明显。

具体工作中P 和Q ×H 有如下正相关关系：Q 2＝Q 1×（N 2／N 1）H 2＝H 1×（N 2／N 1）×（N 2／N 1）P 2＝P 1×（N 2／N 1）×（N 2／N 1）×（N 2／N 1）从这些公式中可以看出：风量也就是流量随着转速变化成正比例变化，风压也就是扬程随着转速变化的平方成正比例变化，轴功率随着转速变化的三次方成正比例变化。

2风机高压变频改造的节能原理以下我们将根据风机系统特性曲线分析使用不同方法对风量进行控制的特征，以帮助我们理解风机高压变频改造的节能原理。

图1中灰色曲线为风机满速运行曲线，而交点位置即系统的额定工作点，方形面积代表的是额定工时的电能消耗量。

通过控制入口或出口风门调节风量和压力的方法如图2所示。

从中可以看出，通过控制入口风门的大小来对风量和风压进行调节类似于改变了管网的阻抗特性，增加了管网的阻力。

高压变频技术在风机节能中的应用摘要：高压变频技术在风机节能改造中的有效应用，能够大幅度提升风机设备的节电率，这对于缓解我国资源供应与资源需求之间的矛盾有着非常重要的作用。

基于此，下文将对高压变频技术在风机节能中的应用展开一系列的分析，希望能够有效促进我国社会经济的可持续发展。

关键词：高压变频技术；风机节能；应用1 高压变频节能的特点分析利用高压变频技术对风机转速进行控制的原理为实现电机输入频率的改变，而在改变的过程中并不会额外地消耗电机功率，能够促进电机综合效率的提高。

电机变频节能的主要特点包括以下几个方面：第一，电机综合效率比较高，且发热量与能耗都比较低；第二，具有无极调速的特点，具有较为广泛与精准的调速功能；第三，启动时所需的电流比较小，节能效果突出，同时也不会对所在的电网造成冲击；第四，不存在转差率损耗；第五，能够促进电机功能因数的提高，不需要在另外加装无功补偿装置；第六，具有较高的自动化水平，具有自动限流、限压、减速等功能，同时能够对故障、运行及报警情况进行记录，对系统的安全运行奠定了基础；第七，依据电量成本对电机转速进行智能化的调节。

随着电力建设的不断发展，电力供需矛盾不断激化，只有对风机的流量进行调节才能够更好地满足生产的需要，通过这种方式提高企业效益，降低企业能耗。

2 风机运行中应用节能技术的实际意义改革开放以来，我国在电力行业上越来越多的使用高压电机，它的使用总量达到电厂电机驱动设备的百分之八十左右，它们都是耗电巨大的设备，而发电企业的机组负荷又长期不是运行在最高峰，常在中高负荷下运行，这样就使得电能被大量浪费，如果不对它们进行相应的改造，那么这个极大的浪费就会一直存在。

调整电动机速度的方式是很多的，目前使用得最多的就是变频器调节电动机的速度，在技术上已经非常成熟了，大部分是用于低压电动机上。

近年来，电力电子技术的飞速发展让高压变频器技术也越来越成熟，被越来越多的应用到火电厂的节能改造上。

举例说明离心式风机与水泵采用变频调速节能的原理在各种工业用风机、水泵中，如锅炉鼓、引风机、深井、离心泵等，大部分是额定功率运行，而它们的能耗都与机组的转速有关。

通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。

风机流量的设计均以最大风量需求来设计，其调整方式采用调节风门、挡板开度的大小、回流、启停电机等方式控制，无法形成闭环控制，也很少考虑省电。

这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。

在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。

从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。

同样，离心式水泵在我国当前的工业生产和人民日常生活中起到很大的作用，水泵使用三相异步电动机进行拖动，水泵流量的设计同样为最大流量，压力的调控方式只能通过控制阀门的大小、电机的启停等方法。

这种人为增加管阻的调节方式虽然满足了生产生活所需的对流量的控制，但是浪费了大量的电能，不是一种经济的运行方式。

电气控制采用直接或Y-△启动，不能改变风机和水泵的转速，无法具有软启动的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪声大，功率因数较低等是其主要难点。

为解决这些难题，相关科研技术人员根据生产需要对风机和水泵等装置的转速进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况，在满足生产需求的基础上又节约了能源。

所以，变频调速对生产生活具有十分重要的意义，这也就意味着我们有必要了解风机和水泵等装置采用变频调速节能的原理。

为了对变频调速节能原理有更清晰、更深入的理解，我们可以先从变频器的工作原理出发。

变频器电路（见下图）的基本工作原理为：三相交流电源经二极管整流桥输出恒定的直流电压，由六组大功率晶体管组成逆变器，利用其开关功能，由高频脉宽调制（PWM）驱动器按一定规律输出脉冲信号，控制晶体管的基极，使晶体管输出一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，其幅值为逆变器直流侧电压Vd而宽度则按正弦规律变化，这一组脉冲可以用正弦波来等效，此脉冲电压用来驱动电机运转，通过控制PWM驱动器输出波形的幅值和频率，即可改变晶体管输出波形的频率和电压，达到变频调速的目的。

风机变频原理
风机变频技术是指通过改变电源频率来控制风机的转速，从而实现对风机运行状态的精准控制。

在风电场中，风机变频技术被广泛应用，可以有效提高风机的运行效率和稳定性，降低能耗和维护成本，同时也对电网具有一定的支撑作用。

下面我们将详细介绍风机变频原理。

首先，风机变频技术的基本原理是利用变频器对电源频率进行调节，以改变电机的转速。

在传统的风机系统中，电机通常是由恒定频率的交流电源驱动，因此风机的转速也是固定的。

而通过变频器可以改变电源频率，从而改变电机的转速，实现对风机的精准控制。

其次，风机变频技术的关键在于变频器的控制策略。

变频器需要根据风机的运行状态和外部环境条件，调节输出频率和电压，以实现对风机的最佳控制。

在风速较大时，需要提高风机转速以提高发电效率，而在风速较小或风机受到外部干扰时，需要降低风机转速以保护设备和延长使用寿命。

因此，变频器需要具备智能化的控制策略，能够根据实时情况对风机进行动态调节。

此外，风机变频技术还涉及到电机的变频驱动系统。

变频驱动
系统通常由变频器、电机和传感器等组成，其中变频器起到控制电
源频率的作用，电机负责转换电能为机械能，传感器用于采集风机
运行状态和环境参数。

这些组件共同协作，实现了风机变频技术的
应用。

总的来说，风机变频技术通过改变电源频率来控制风机的转速，实现了对风机运行状态的精准控制。

这不仅提高了风机的运行效率
和稳定性，降低了能耗和维护成本，也对电网具有一定的支撑作用。

随着风电行业的发展，风机变频技术将会得到更广泛的应用，为风
电产业的可持续发展做出贡献。

变频调速的方法及节能原理变频调速的方法变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。

交流异步电动机的输出转速由下式确定：n=60f(1—S)/p （1）式中n——电动机的输出转速；f——输入的电源频率；S——电动机的转差率；p——电机的极对数。

由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而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(调整f)等。

变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。

将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：一种称为直接变换方式，又称为交—交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流—交流的变频方式。

另一种称为间接变换方式，又称为交-直-交变频方式，它是先将输入的工频交流电通过全控/半控/不控整流变换为直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出。

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n 与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：Q1/ Q2＝n1/n2 （2）H1/ H2＝（n1/n2）2 （3）P1/ P2＝（n1/n2）3 （4）式中Q1、H1、P1——风机（或水泵）在n1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；Q2、H2、P2——风机（或水泵）在n2转速时的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（或水泵）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。

由公式(4)可知，在其它运行条件不变的情况下，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，节电效果非常明显。

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。

电机变频技术也随着交流电机无级调速的需要而发展。

一提起变频调速，大家就能和节能挂起钩来。

近年来，尽管我国在能源开发方面进展迅速，但还是跟不上需求的增长，节能问题始终处于相当突出的位置。

变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到广泛应用。

下面就变频器应用在电动机中的工作原理及节能原理进行了简要阐述。

变频器的工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

我们知道，交流电动机的同步转速表达式为n＝60f(1－s)/p式中n为异步电动机的转速;f为异步电动机的频率;s为电动机转差率;p为电动机极对数。

由式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器利用电力电子半导体器件的通断作用来实现电力电能大功率的变换及控制，使电力电路实现电子化，可直观地进行控制和显示。

由于变频器的这个优越性，使得其适用领域越来越宽广，所采用技术也不断拓宽，同时也为追求变频器的小型化，人们也一直在不断和减少元器件的发热做斗争。

由于新一代的IGBT采用了漏极-控制极新技术，使集电极-射极间的饱和电压(Ucesat)大为降低，因而采用这种新器件损耗低，有降低发热消除损耗的效果。