电机系统变频调速节能改造效益分析
张 挺
福建省建筑轻纺设计院 350001
摘要：对各类高低压电动机变频改造方案及效果的实例进行数据分析，来直观了解改造后的经济效益。
关键词：变频调速 节能 效益分析
随着我国政府提出建设资源节约型、环境友好型社会的方针，近年来，国家和地方颁布和实施了多项政策法规，旨在推动节能技术进步，提高能源利用效率，促进节能降耗和污染减排。电机系统节能是国家启动的十大重点节能工程之一，国家发展规划要求，当前应推广变频调速节能技术，即风机、水泵、压缩机等通用机械系统采用变频调速节能措施，工业机械采用交流电动机变频工艺调速技术。在“十一五”期间，我国将实现电机系统运行效率提高2个百分点，形成年节电能力达200亿千瓦时的目标。
1． 电机系统变频调速节能的背景
采用变频调速技术是节能降耗的重要途径。水泵、风机等恒转矩负载在没有调速情况下，要求改变流量时，只能通过机械调整阀门开启角度，虽然流量下降了，但泵或风机的出口压力升高，功率下降并不明显，近似成为恒功率负载，造成电源利用率极低（用于克服调节装置的阻力）。当使用变频调速时，如果流量要求减小，就可以通过降低泵或风机的转速，即可满足要求。而泵或风机的功率与转速的立方成正比，随着转速的降低，功率会快速下降。
大部分风机、泵类负载设计时留有较大的裕度，有一部分设备为考虑扩产需要，容量选大后阀门常年未全开；另一部分设备要根据生产情况随时调节阀门来控制流量；还有一部分设备生产过程不断的变动中有降速的条件而电机未做调节，上述设备电耗长期维持在一个较高水平上，浪费严重。
在实际的生产领域中，为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。
2． 电机系统变频调速节能的原理
通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属变转矩负载，其转速n 与流量q，压力p 以及轴功率P具有如下关系：流量与转速和频率成正比、压力与转速的平方成正比、轴功率与转速的立方成正比。
Q1/Q2 = n1/n2=f1/f2
H1/H2 = (n1/n2)2
P1/P2 = (n1/n2)3
风机各调节方式的能耗-流量曲线见下表：
风机各调节方式的能耗-流量曲线
由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。这就是变频器电机控制对于电机容量预留和生产负荷阶段调整的节能原理。
投入变频器后，还能提高其所控电机系统的功率因数，减少配电系统的网损。
因此，采用可靠的高、低压变频节能技术及产品对工厂现有生产领域相关电机系统进行以变频器为主要节能手段的技术改造，通过对前述各类高低压电动机驱动的风机、水泵、空气压缩机等负载进行变频器控制改造，从而实现节能减排及确保电机变频节能改造项目的投资达到预期的经济性。
3． 电机系统变频调速节能的效益
以下对各类高低压电动机变频改造方案及效果的实例进行数据分析，来直观了解改造后的经济效益。
●1800kW高温风机
10kV1800kW高温风机运行状况：电机改造前实际运行电流116A，目前消耗功率:1.732×10.5×116×0.85=1793KW，原系采用液力偶合器调速，调速78.5%，由变频改造后功率0.7853×1800/0.96=908KW，节约功率1793-908=885KW, 液力偶合器传统上用于需要调速的流体机械(如风机、泵类)时，有相当的节电效果，原节电率可达25％，因此，变频改造实际节电约437KW，因此变频调节可以节约25%的功率。全年按运行7200小时，电费为0.50元计算，年节电费437×7200×0.50=157万元，按目前国产变频器价格计算，2年可回收变频投资。
改造方法：拟配置变频器具工—变频切换功能, 风门全开由DCS给定频率。
(见下图)
● 锅炉鼓风机。(355KW)
变频节能计算:由于风门平均开度为50%，故实际流量约为额定流量的70%，从上表曲线中查出采用变频调速时消耗额定功率的36%，采用叶片调节则消耗额定功率的64%，两者相比变频调节可以节约28%的额定消耗功率。变频时每小时节约355×0.95×28%=94.4kw，全年按运行7200小时，电费为0.50元计算，年节电94.4kw×7200×0.50=34万元，按目前国产变频器价格计算，1年半可回收变频投资。
改造方法：拟配置变频器具工—变频切换功能, 风门全开由DCS给定频率。 (见上图)
●给水泵（90KW）。
运行状况：电机实际电流147A，管道出口压力5公斤
变频节能计算：目前电机实际消耗功率 1.732×380V×147A×0.88=85.5KW
变频后恒定供水压力为3.95公斤左右，则根据公式变频后实际消耗功率；
(3.95/5)1.5×85.5KW/0.98=61.56KW
每小时节电: 85.5KW-61.56KW=23.94度
每年节电：23.94度×8000小时 =19.2万度
1年半可回收变频投资。
改造方法：拟配置2台变频器,具工—变频切换功能，恒压控制。
改造方案：（详见框图）
●空气压缩机 (250KW)
通常情况，当压力达到最大时，空气压缩机通过如下方法来降压卸载：关闭进气阀使空气压缩机不需要再压缩气体做功，但空气压缩机的电动机还是要带动空压机运动，据测算，空气压缩机卸载时的能耗约占空气压缩机满载运行的10％－15％，在卸载时段内，空气压缩机在做无用功，白白地消耗能量。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空，这种调节方法也要造成很大的能量浪费。
改造方法：拟配置变频器，压力变送器将储气罐的压力信号转变为电信号送给ＰＩＤ调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的ＰＩＤ控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出频率，自动调整电机转速，从而使实际压力始终维持在给定压力，变频改造后空压机大部分时间不会卸载。另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了起动时的大电流和起动时给空气压缩机带来的机械冲击。
系统框图
变频节能计算:根据电表实测目前电机实际消耗功率：225KW，进行变频改造后大部分时间不会卸载，根据现卸载时间估算节电率在29%左右。
每年节电:225KW×29%×7920小时=51.67万度，1年半可回收变频投资
4． 电机系统变频调速节能的其他效果
（1）变频改造后，提高功率因素。
（2）变频改造后, 提高自动化水平,减轻工人劳动强度，也改善工艺水平。
（3）变频改造后，电机将软启动，对电网、电机、机械无任何冲击，大大延长了设备使用寿命。
（4）保护：变频器具有过流，过压、过载、短路、断路、缺相等多种保护功能，有效的保护电机、电网，更便于查找故障及维护。
5． 结论
由上可见，对工业生产领域相关电机系统进行以变频器为主要节能手段的技术改造，可以实现节能减排，同时确保电机变频节能改造项目的投资达到预期的经济性，一般投入使用后2年内可收回投资。同时变频改造后电耗将大幅降低，企业生产成本也随之降低，使企业走上良性循环的轨道。
作者简介：张 挺 1966年11月出生 福建省建筑轻纺设计院 副总工程师 高级工程师 建筑电气专业
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