電動風機和水泵的變頻調速節能研究

0 引言

“數字農業”是在農業領域實現計算機技術，地學空間技術，網絡通訊技術和電子工程技術等信息技術;實現農業辦公自動化，農業數據信息獲取自動化和標準化，農業設施運行智能化與機電一體化等。“數字農業”和“綠色農業”是建設現代化農業的必然選擇[1]。我國是目前世界上產值、能耗高的國家之一，農村的能源利用效率較低，在農業領域開展農業機械的節能研究，建立“節約型新農村”是一項長期而緊迫的任務。農用風機和水泵是主要的電能消耗設備，本文以農業機械中水泵、風機的流量調節為例，研究感應電動機變頻調速的節電技術。所謂變頻調速是將電動機的驅動電源由三相工頻(50Hz)交流電(或任意電源)變換成三相(或單相)電壓可調、頻率可調的交流電來改變電動機的轉速[2]。

1 變頻調速技術的現狀

近年來，交流調速技術在風機、水泵類負載領域得到了一定的推廣應用，電壓在380 V以下的低壓變頻器已大量使用;在中小功率變頻技術方面，國內幾乎所有的產品都是普通的V轅f控制，采用矢量控制技術的變頻器應用較少，品種與質量不能滿足市場需求，每年需要進口。在大功率交—交變頻、無換向器電機等變頻技術方面，國內只有少數科研單位有能力制造。大多數的變頻調速裝置采用晶閘管交—交變頻調速，制造成本較高，裝置可靠性差， 對電網污染嚴重，功率因數低、無功損耗大。同時變頻器的整機技術落后，國內雖有單位投入一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規模。有些地方還使用晶閘管直流電機調速，盡管此類系統制造技術成熟，但技術水平和效率低下，難以普及發展。變頻調速技術依托于電力電子技術的發展，變頻器所用半導體功率器件，國內生產幾乎是空白。國外高電壓、大電流晶閘管、大功率三極管、場效應管、GTO(Gate Turn-off Thyristor，門極可關斷晶閘管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)、IGCT(Integraed Gate Conmmutated，集成門極換流晶閘管)以及IPM(Intelligent Power Module，智能功率模塊)等器件的生產，以及電子器件并、串聯技術的發展，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實，大大促進了變頻調速技術的發展[3]。

我國變頻調速技術與工業發達國家相比還相當落后，日本、德國和法國對高性能大容量的變頻調速系統的研究和應用非常重視，一直處于世界領先地位。不僅在農業應用領域，在電力機車、船舶等其他行業也走在前列。法國阿爾斯通公司已能提供單機容量達30 000 kW 的電氣傳動設備用于船舶推進系統。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，ABB公司提供了單機容量為60 000 kW的設備用于抽水蓄能電站;在中功率變頻調速技術方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為10耀2 600 kV·A，其控制系統已實現全數字化，廣泛用于電力機車、風機和水泵驅動等領域[4] [5]。

2 風機水泵的變頻調速節電原理

2.1 風機水泵的流量調節方式

水泵(或風機)的流量調節主要有三種方法。一種是采用傳統機械方法，水泵和風機一旦開始工作，電機便以額定轉速運行，以額定量供水和供風，當水量或風量需要減少或增加時，通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節供水量和供風量，電機輸出功率大量的消耗在擋板或閥門的截流過程中，浪費了大量電能。另一種方式是采用電磁轉差離合器或

液壓耦合器調節風機、水泵的轉速(電動機恒速運轉)，電機消耗的能量不變，僅改變傳動比，多余的能量也以其他能量形式消耗掉[6]。第三種調節方式是通過改變電動機的轉速來控制水(或風)流量，此種方法能根據用水量(風量)減少或增加來調節水泵轉速，無多余能量損耗，是目前最有效的節能調節方式之一。電機調速主要分直流調速和交流調，直流調速系統是用直流電驅動直流電動機，分為單閉環、多

環調速和可逆直流調速，通過改變直流電動機的電樞電壓、勵磁磁通或電樞回路總電阻來調節電機轉速以實現流量調節。交流調速可分為調壓調速、雙饋電機調速、串級調速、變極調速和開關磁阻電動機調速等。變頻調速是交流調速方法之一，是用變頻、變壓的交流電驅動交流電機，其控制方法可分為標量控制、直接轉矩控制、矩陣式變頻、矢量控制調速等方式[7]。

2.2 風機水泵的變頻調速節能原理

對異步電機進行調速控制時，保持電機的主磁通恒定值不變，通過改變異步電機的供電頻率，改變其同步轉速，實現調速運行。水泵和風機是一種平方轉矩負載，其轉矩(T)特性為

變頻器提供給電動機的電壓U隨頻率的平方成正比降低，故可大幅度減少功耗，節電率高達30%~60%以上[4] [8]。電動機轉速n與流量q、揚程h及軸功率Pq的關系如式(5)、(6)、(7)所示。

水泵的流量與其轉速成正比，水泵的揚程與其轉速的平方成正比，水泵的軸功率與其轉速的立方成正比。由以上公式可以看出，在環境氣壓、氣溫等參數不變的情況下，當轉速減少50豫時，流量減少50豫，揚程減少75豫，功率消耗減少87.5%，節能效果非常顯著[4] [6]。

若采用在水流吸入側加擋板調節流量，電機運行于額定轉速，在不同流量q 時，電機軸功率Pq 與額定功率Pe 和額定流量qe有下列經驗公式

離心風機(水泵)的風壓(揚程)h—風量(流量)q曲線特性如圖1所示。正常工作時，工況點為A，其流量壓力分別為q1、h1，此時風機水泵所需的功率正比于Ah1Oq1的面積。當要求減小風量(流量)到q2，實際上通過調節(減小)擋板開度增加管網管阻(R1寅R2)，使風機水泵的工作點移到B 點，風壓(水壓)增大，這時風機水泵所需的功率正比于Bh2Oq2的面積,顯然風機水泵所需的功率增大了[8]。這種調節方式控制簡單，但功率損耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡單控制方式。若采用變頻調速，風機水泵轉速由n1下降到n2，這時工作點由A 點移到C點，流量仍是q2，壓力由h1降到h3，這時變頻調速后風機(水泵)所需的功率正比于Ch3Oq2的面積，由圖1可見功率的減少是明顯的[9]。

采用變頻調速技術后，變頻器可根據實際需要改變電機轉速來調節水流量，使水泵實際負載與流量在任何工作階段均能保持一致或根據流量要求變化，保證電機在整個負載變化范圍內平穩、精確地運行，徹底消除溢流或流量不夠現象，能量消耗達到所需的最小程度，實現節能目的[10]。

2.3 風機水泵變頻調速器控制方式

2.3.1 標量控制方式

這是一種最簡單的控制方法，操作人員根據實際的需要，手動調節變頻器的頻率設定值和輸出電壓，以改變風量或流量。一般可分為電壓/頻率控制和轉差頻率控制兩種方式，其主要調節原理是

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