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1、中国图象图形网变频调速技术在工厂应用的节能分析（Saving Energy Analyses of VVVFs Application in Factory）李强 吴杰 王念春(Li Qian Wu Jie Wang NianCHun)东南大学电气工程系（210096）(Department of Electrical Engineering , Southeast University)摘要：简要介绍了变频调速技术的节能原理，以啤酒厂为例，分析了变频调速装置在啤酒厂各工段、车间应用的现状与效果，除了节能效果外，变频调速装置还可改善工艺状况，值得厂家注意。关键词：负载特性 变频调速 节能 工艺
2、AbstractThe saving-energy principle of VVVF technology is introduced briefly in this paper,and analyses the actuality and effects of VVVFs application in Brewery,besides saving-energy effect,VVVF can improve technology status of beer production,this is good for plant to pay attention to it.Key Words
3、Load Characreristic VVVF Energy-saving Technology0 前言据有关资料统计，泵类和风机负载的耗电量占全国总发电量的二分之一以上，约占工业总用电量的 55%，用于泵类和风机的交流感应电动机是主要的电力负荷。在工业生产过程中为了满足生产工艺过程的各种要求，许多用交流电动机拖动的生产机械需要进行调速运行，通常采用机械调速或电气调速方式。机械调速有机械变速箱、摩擦传动、液压传动、液力传动、液力偶合器等调速装置，电气调速有调压调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等调速装置。与机械调速相比，电气调速以其优良的调速性能、方便的调节手段、较
4、高的电能利用率等特点在生产设备中得到广泛的应用。近十几年来，随着电力电子技术、微电子技术与电力开关器件的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频调速以其效率高、调速范围大、调速精度高、特性硬、无级调速等优点，在各种交直流调速系统中逐渐占主导地位。在各行各业的工程设计或技术改造中，尤其是节能技术改造中，变频调速技术的应用面正在不断扩大，应用也从简单的节能向改进工艺提高产品质量与产量的综合型方向发展。在设计实施过程中，经常遇到的问题是使用变频调速器是否节约能源，能否满足生产工艺求等。本文通过分析变频调速技术节能与负载特性的关系，具体以啤酒生产厂家为例，阐述节能与工艺的关系，同时给出了一些定
5、量计算值。节能降耗是降低产品成本，提高产品市场竞争能力的重要技术手段。以啤酒生产厂家为例，国内先进水平为 70Kwh/吨左右，落后水平在 200 Kwh/吨左右，相差130 Kwh/吨，5 万吨啤酒厂一年相差 6500000 Kwh，直接效益 3,250,000 元！相差如此之大有多方面的原因，例管理问题，开工不足，非生产用电过多等，但设备落后、技改不力、厂家对新技术与新装置了解不足也是客观存在的问题，正确了解变频调中国图象图形网速技术、合理使用变频调速装置可帮助厂家有效解决设备与技改方面的问题，达到节能降耗的目的。1 变频调速技术的节能原理与负载关系据统计，全国每年的发电量有一半消耗在电机上
6、，其中绝大部份的电机为结构简单、方便实用、维修量很少的鼠笼式电机，例啤酒厂各种泵的电机、制冷压缩机电机、罐装线上传送带电机等，由于技术上的原因，在二十世纪八十年代前对较大功率的鼠笼式电机（几个 KW 以上）进行调速控制一直是人们梦想的事，在需要进行调速变换的场合往往采用直流电机或绕线式异步电机，对环境要求较高，并不适用于啤酒厂这种潮湿场所。最近二十年来，随着电力电子器件的发展与自动控制理论的进步，采用变频调速技术的通用型变频调速装置（VVVF）价格大幅下降，在大部分的工厂用变频调速装置对鼠笼式电机进行调速控制已成为现实。并不是在所有情况下用变频调速装置对鼠笼式电机进行调速控制都可以取得很好的节
7、能效果，这与电动机的负载性质有很大关系，通过大量的分析与总结，一般将电动设备负载性质分成三类（表 1）：表 1 电动机负载特性的分类转矩特性 M 轴功率特性 P 电动设备举例恒转矩负载M=常数轴功率正比于转速Pn 罗茨风机、压缩机恒功率负载转矩反比于转速Mn -1轴功率不变P=常数 机床、卷绕机离心风机、水泵类负载转矩与转速平方成正比Mn 2轴功率正比于转速 3 次方Pn 3 离心泵、离心风机由于啤酒厂几乎没有恒功率负载，下面讨论另两类负载（恒转矩类与离心风机、水泵类）的节能特性。1.1 恒转矩类负载的节能分析为了分析简便，假定电动机的输入功率等于这类装置的轴功率，即不考虑装置效率影响。由于这
8、类负载的轴功率正比于电动机转速，有 Pn，理论上这类负载调速所节省的能量与调速范围成正比，例转速降到原来的一半，则比原来节省 50%的功耗。啤酒厂主要耗电装置制冷压缩机即为这类负载，其功率转速关系见图 2。01020304050607080901000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100转 速 （ %）功率（%）恒 转 矩 负 载 离 心 风 机 、 泵 类 负 载中国图象图形网21nQH321nP图 2 两类负载理想功率转速图1.2 离心风机、水泵类负载的节能分析根据流体力学理论，在理论上改变离心泵转速时，泵特性有如下关系：式中：Q-流量，H- 扬程，P-泵轴功率，
9、n-泵转速，下标 1、2 表示泵两种不同转速。从上式可以看出，当流量从 100%80%时，功率从 100%51.2%，可以节省48.8%的功耗，效果非常显著，啤酒厂糖化车间、发酵车间的各类管道输送泵、锅炉上的鼓、引风机属这类负载，其功率转速关系见图 2。2 变频调速器在啤酒厂中的应用2.1 变频调速装置目前在啤酒厂中的主要应用场所变频调速器应用在啤酒厂有两类作用：节能，这类作用已被大部份的厂家所熟知；改善工艺条件。目前变频调速器主要在啤酒厂如下场所应用（表 2）：糖化车间麦汁过滤泵上的应用。在麦汁过滤中，为了便于糟层的形成，有必要调节过滤时麦汁的流量，传统的做法是采用调节阀门控制流量，但这样做
10、无法控制泵入口的吸力，对调控糟层的形成不利，有厂家采用变频调速器控制泵的转速，这样不仅可以改变泵流量，还可有效改变泵入口处的吸力，从而控制糟层形成的速度、松紧等，起到改善工艺条件的目的，实际证明可起到很好的效果。另外，采用变频调速器控制泵的流量与采用阀门控制泵的流量相比，可以节约一部分能量，以某啤酒厂为例计算如下：条件：电动机功率 7.5KW过滤时间为 3 小时每锅次每年生产 1200锅次调速范围 1050Hz，随机分布。结果：保守计算：7.5*1200*3*50%=13500（度） ，按每度 0.5 元，则可节约 6750 元/每年。发酵罐冷媒循环供应泵。这是一个典型的恒压供液系统 1，由于
11、泵的功率较大，工作时间长，节能效果非常显著，以某啤酒厂为例计算如下：条件：电动机功率 22KW每天工作 24 小时，一年工作 360 天调速范围 3050Hz，随机分布。结果 1：可节约 22*24*360*33.73%=64114（度） ，按每度 0.5 元，则可节约 32057 元/每年。除了节约能量外，这种恒压供液系统还有如下好处：稳定供液压力，防止较少发酵罐工作时管道压力升高有可能造成的爆管事故。上述两种情况下都是调节泵出口阀门与调节泵转速时节能分析的对比，这与管道的阻力特性曲线、液体在管内的流动状态（层流与紊流） 、所选泵功率与实际需求功率的匹配程度有关，详细分析见参考文献1。罐装车
12、间罐装线上传送电机。这部分装置一般由罐装线配套而来，功率较小，节能意义不大，也不能改善啤酒生产工艺条件，主要是方便罐线的柔性运行。中国图象图形网表 2 变频调速器应用场所与效果简表应用场所 电机功率大小 主要效果麦汁过滤电机 较小 改善工艺条件，有利糟层形成 节能发酵罐冷却液循环泵 较大 节能防止管道压力过高爆管罐装线传送电机 小 有利于罐装线的柔性运行2.2 变频调速装置在啤酒厂中应用的下一步展望啤酒厂中主要耗电大户是制冷压缩机，功率大（几百 KW） ，台数多，一般是并联运行，靠调节运行的台数来调节制冷量，波动很大，厂家在实际使用中经常会有这样的感觉：生产旺季全部开动制冷量不够，生产淡季开一
13、台制冷量仍过剩，靠人工检测或感觉来调节，这样易造成工况波动较大，浪费能量。目前国内厂家在制冷压缩机上用变频调速器进行控制基本上是空白，主要原因为：厂家对这部份使用变频调速节能效果不了解；一次性投入较大，认为有技术风险存在。其实，在供水系统中多台水泵并联运行很普遍，有时有多达几十台水泵并联运行，因此多台压缩机并联运行并不存在技术上的问题，但为了尽量提高节能效果与保证工艺的平稳运行，有必要根据厂家糖化车间个数与每锅麦汁产量、发酵罐的个数与容积、压缩机的台数与功率大小、实际制冷能力与需求制冷能力等关系建立必要的预测模型与控制策略并与发酵自控系统进行配合，据粗略推算，估计有 15%20%左右的节能能力
14、，以年产 5 万吨啤酒，每吨啤酒耗电 120 度计算，每年可节电900,0001,200,000 度，按每度 0.5 元，可节约 450,000600,000 元，一年可收回全部投资。除了直接效益外，还可使冷媒的温度更加平稳，改善发酵工艺条件，值得有经济实力厂家的注意。3 结束语节能降耗是降低生产成本的重要手段，降低生产成本提高产品市场竞争能力是厂家谋求发展的硬道理，如何利用新产品新技术对设备进行技术改造，是厂家要时刻关注和了解的，变频调速器就是这样一种新技术与新产品，利用它对啤酒厂某些电动设备进行改造，可起到显著的节能效果并可改善啤酒生产工艺条件，值得厂家注意。参考文献：1 王念春.变频调速技术在供水系统中应用的节能分析J.电工技术杂志,2001,(6):38-40作者简介：中国图象图形网李强：男，1965 年生，东南大学电气工程系电机与电器专业在职博士生，现在江苏省经济贸易委员会电力能源处工作。多年从事能源管理工作，参与了许多能源政策制定和能源规划编制等工作，尤其是对电力工业改革、电力市场化运营、电力经济调度、电力需求侧管理等领域进行过一定的研究。吴杰：男，副教授； 王念春：男，教授。通讯地址：南京四牌楼 2 号 东南大学电气工程系 邮编：210096
