风机、水泵变频器选型

风机、 水泵变频器选型方法

一、 首先需要注意， 1.罗茨风机及潜水泵及齿轮泵等不是平方转矩的风机水泵类负载， 是恒转矩负载， 平方转矩类风机水泵负载一般都是

针对于离心风机及水泵来的， 这种负载在出口关闭情况下出口压力升到额定压力后就不升高了， 因为没有流量所以负荷降低。

2.风机水泵类负载一般在设计时是按照最大需量设计的， 存在富余功率。 对于这类负载使用变频器按需使用就有节能的空间。

二、 正确的把握变频器驱动的机械负载对象的转速——转矩特性， 是选择电动机及变频器容量、 决定其控制方式的基础。 风机、 泵类的负

载为平方转矩负载。

随着转速的降低， 所需转矩以平方的比例下降， 低频时负载电流小，电机过热现象不会发生； 但有些负载的惯量大， 必须设定长的加速时

间， 或再启动时的大转矩引起的冲击， 因此选型时需考虑裕量；另： 当电机以超出基频转速以上的转速运行时， 负载所需的动力随转速的提高而急剧增加， 易超出电机与变频器的容量， 将导致运行中断或电机发热严重。

对于恒转矩负载， 要选用 G 型的变频器； P 型变频器适用于普通的风机和离心式水泵等负载。（罗茨风机、 螺杆泵、 泥浆泵、 往复式柱

塞泵等则要用 G 型）

1) 根 据 负 载 特 性 选 择 变 频 器 ， 如 负 载 为 恒 转 矩负 载 需 选变 频 器 ， 如 负 载 为 风 机 、 泵 类 负 载 应 选

择风机、 泵类变 频 器。 因为风机、 水泵会随着转速增大力矩。 而刚启动时力矩较小。

2) 选 择 变 频 器 时 应 以 实 际 电 机 电 流 值 作 为 变 频器 选 择 的 依 据 ， 电 机 的 额 定 功 率 只 能 作 为 参 考 。

另 外,应 充 分 考 虑 变 频 器 的 输 出 含 有 丰 富 的 高 次谐 波 ， 会 使 电 动 机 的 功 率 因 数 和 效 率 变 坏 。 因 此用 变 频 器 给 电 动 机 供 电 与 用 工 频 电 网 供 电 相 比较 ， 电 动 机 的 电 流 会 增 加 10％ 而 温 升 会 增 加 20％左 右 。 所 以 在 选 择 电 动 机 和 变 频 器 时 ， 应 考 虑 到这 种 情 况， 适 当 留 有 余 量 ， 以 防 止 温 升 过 高 ， 影 响电 动 机 的 使 用 寿 命 。

3) 变 频 器 若 要 长 电 缆 运 行 时 ， 此 时 应 该 采 取 措施 抑 制 长 电 缆 对 地 耦 合 电 容 的 影 响 ， 避 免 变 频器 出 力 不 够 。 所 以 变 频 器 应 放 大 一 、 两 档 选 择 或在 变 频 器 的 输 出 端 安 装 输 出 电 抗 器 。

4) 对 于 一 些 特 殊 的 应 用 场 合 ， 如 高 环 境 温 度 、高 开 关 频 率（尤其是在楼宇自控等对噪音限制较高的应用场所使用时需注意） 、 高 海 拔此 时 会 引 起 变 频 器 的 降 容 ， 变频 器 需 放 大 一 档 选 择 。

5) 当 变 频 器 用 于 控 制 并 联 的 几 台 电 机 时 ， 一 定要 考 虑 变高 度 等 ， 频 器 到 电 动 机 的 电 缆 的 长 度 总和 在 变 频 器 的 容 许 范 围 内。 如 果 超 过 规 定 值 ， 要放 大 一 档 或 两 档 来 选 择 变 频 器 。 另 外 在 此 种 情况 下， 变 频 器 的 控 制 方 式 只 能 为 V/F 控 制 方 式 ， 并且 变 频 器 无 法 实 现 电 动 机 的 过 流 、 过 载 保 护， 此时 需 在 每 台 电 动 机 侧 加 熔 断 器 来 实 现 保 护 。

6) 使 用 变 频 器 控 制 高 速 电 机 时 ， 由 于 高 速 电 动机 的 电 抗 小 ， 会 产 生 较 多 的 高 次 谐 波 。 而 这 些 高次 谐 波 会 使 变 频 器 的 输 出 电 流 值 增 加。 因 此 ， 选择 用 于 高 速 电 动 机 的 变 频 器 时 ， 应 比 普 通 电 动机 的 变 频 器 稍 大 一 些 。

7) 变 频 器 用 于 变 极 电 动 机 时 ， 应 充 分 注 意 选 择变 频 器 的 容 量 ， 使 其 最 大 额 定 电 流 在 变 频 器 的额 定 输 出 电 流 以 下。 另 外 ， 在 运 行 中 进 行 极 数 转换 时 ， 应 先 停 止 电 动 机 工 作 ， 否 则 会 造 成 电 动 机空 转 ， 恶 劣 时 会 造 成 变 频 器 损 坏 。

8) 驱 动 防 爆 电 动 机 时 ， 变 频 器 没 有 防 爆 构 造 ， 应将 变 频 器 设 置 在 危 险 场 所 之 外。

9) 使 用 变 频 器 驱 动 齿 轮 减 速 电 动 机 时 ， 使 用 范围 受 到 齿 轮 转 动 部 分 润 滑 方 式 的 制 约 。 润 滑 油润 滑 时， 在 低 速 范 围 内 没 有 限制 ； 在 超 过 额 定 转 速 以 上 的 高 速 范 围 内 ， 有 可 能发 生 润 滑 油 用 光 的 危 险 。 因 此 ， 不 要 超 过 最 高 转速 容 许 值 。

10) 变 频 器 驱 动 绕 线 转 子 异 步 电 动 机 时 ， 大 多 是利 用 已 有 的 电 动 机 。 绕 线 电 动 机 与 普 通 的 鼠 笼电 动 机 相 比 ， 绕 线 电 动 机 绕 组 的 阻 抗 小 。 因 此 ，容 易 发 生 由 于 纹 波 电 流 而 引 起 的 过 电 流 跳 闸 现象 ， 所 以 应 选 择 比 通 常 容 量 稍 大 的 变 频 器 。 一 般绕 线 电 动 机 多 用 于 飞 轮 力 矩 GD2 较 大 的 场 合 ， 在设 定 加 减 速 时 间 时 应 多 注 意 。

11) 变 频 器 驱 动 同 步 电 动 机 时 ， 与 工 频 电 源 相比 ， 会 降 低 输 出 容 量 10％～20％ ， 变 频 器 的 连 续 输出 电 流 要 大 于 同 步 电 动 机 额 定 电 流 与 同 步 牵 入电 流 的 标 幺 值 的 乘 积

12) 对 于 压 缩 机、 振 动 机 等 转 矩 波 动 大 的 负 载 和油 压 泵 等 有 峰 值 负 载 情 况 下， 如 果 按 照 电 动 机 的额 定 电 流 或 功 率 值 选 择 变 频 器 的 话 ， 有 可 能 发生 因 峰 值 电 流 使 过 电 流 保 护 动 作 现 象 。 因 此 ， 应了 解 工 频 运 行 情 况 ， 选 择 比 其 最 大 电 流 更 大 的额 定 输 出 电 流 的 变 频 器 。

13) 变 频 器 驱 动 潜 水 泵 电 动 机 时 ， 因 为 潜 水 泵 电动 机 的 额 定 电 流 比 通 常 电 动 机 的 额 定 电 流 大 ,所 以 选 择 变 频 器 时 ， 其 额 定 电 流 要 大 于 潜 水 泵电 动 机 的 额 定 电 流 。

14) 当 变 频 器 控 制 罗 茨 风 机 或 特 种 风 机 时 ， 由 于罗 茨 风 机 为 容 积 形 鼓 风 机 ， 具 有 输 出 风 压 高 的特 点 。 从 电 机 特 性 来 看 ， 其 转 矩 特 性 近 似 为 恒 转矩 特 性 ， 其 起 动 电 流 很 大 ， 所 以 选 择 变 频 器 时 一定 要 注 意 变 频 器 的 容 量 是 否 足 够 大 。

15) 选 择 变 频 器 时， 一 定 要 注 意 其 防 护 等 级 是 否与 现 场 的 情 况 相 匹 配 。 否 则 现 场 的 灰 尘 、 水 会 影响 变 频 器 的 长 久 运 行 。

16) 单 相 电 动 机 不 适 用 变 频 器 驱 动。

17)如 果 变 频 器 的 供 电 电 源 是 自 备 电 源 ， 最 好 加上 进 线 电 抗 器 。

18) 电 机 负 载 非 常 轻 时 ， 即 使 电 机 负 载 电 流 在 变频 器 额 定 电 流 之 内 ， 亦 不 能 使 用 比 电 机 容 量 小很 多 的 变 频 器。 这 是 因 为 电 机 的 电 抗 随 电 机 的 容量 而 不 同 ， 即 使 电 机 负 载 相 同 ， 电 机 容 量 越 大 其脉 动电 流 值 也 越 大， 因 而 有 可 能 超 过 变 频 器 的 电流 容 许 值。

一、引言

在工业生产和产品加工制造业中， 风机、 泵类设备应用范围广泛； 其电能消耗和诸如阀门、 挡板相关设备的节流损失以及维护、 维修费用占到生产成本的 7%~25%， 是一笔不小的生产费用开支。 随着经济改革的不断深入， 市场竞争的不断加剧； 节能降耗业已成为降低生产成本、 提高产品质量的重要手段之一。

而八十年代初发展起来的变频调速技术， 正是顺应了工业生产自动化发展的要求， 开创了一个全新的智能电机时代。 一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式， 使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出， 从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。

八十年代末， 该技术引入我国并得到推广。 现已在电力、 冶金、 石油、化工、 造纸、 食品、 纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。

目前， 变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。 卓越的调速性能、 显著的节电效果， 改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率， 延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。

二、 综述

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。 而最常用的控制手段则是调节风门、 挡板开度的大小来调整受控对象。 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。

泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间， 提水泵站、 水池储罐给排系统、 工业水（油） 循环系统、 热交换系统均使用离心泵、 轴流泵、 齿轮泵、 柱塞泵等设备。 而且， 根据不同的生产需求往往采用调整阀、 回流阀、 截止阀等节流设备进行流量、 压力、 水位等信号的控制。 这样， 不仅造成大量的能源浪费， 管路、 阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、 阀体的磨损和汽蚀， 严重时损坏设备、 影响生产、 危及产品质量。

风机、 泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行， 存在启动电流大、 机械冲击、 电气保护特性差等缺点。 不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备， 时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。

近年来， 出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求， 加之采用变频调速器（简称变频器） 易操作、 免维护、 控制精度高， 并可以实现高功能化等特点； 因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、 挡板、 阀门的控制方案。

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s） ／ p， （式中 n、 f、 s、 p 分别表示转速、输入频率、 电机转差率、 电机磁极对数）； 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术， 电力电子、 微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

三、 节能分析

通过流体力学的基本定律可知： 风机、 泵类设备均属平方转矩负载，其转速 n 与流量 Q， 压力 H 以及轴功率 P 具有如下关系： Q∝n ， H∝n2， P∝n3； 即， 流量与转速成正比， 压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

在现场控制中， 通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。 当流量从Q1 减小 50%至 Q2 时， 阀门开度减小使管网阻力特性由 r0 变为 r1，系统工作点沿方向 I 由原来的 A 点移至 B 点； 受其节流作用压力 H1变为 H2。 水泵轴功率实际值（kW） 可由公式： P =Q·H／ （η c·η b）×10-3 得出。 其中， P、 Q 、 H 、 η c 、 η b 分别表示功率、 流量、压力、 水泵效率、 传动装置效率， 直接传动为 1。 假设总效率（η c·η

b）为 1， 则水泵由 A 点移至 B 点工作时， 电机节省的功耗为 AQ1OH1和 BQ2OH2 的面积差。 如果采用调速手段改变水泵的转速 n， 当流量从 Q1 减小 50%至 Q2 时， 那么管网阻力特性为同一曲线 r0， 系统工作点将沿方向 II 由原来的 A 点移至 C 点， 水泵的运行也更趋合理。

在阀门全开， 只有管网阻力的情况下， 系统满足现场的流量要求， 能耗势必降低。 此时， 电机节省的功耗为 AQ1OH1 和 CQ2OH3 的面积差。 比较采用阀门开度调节和水泵转速控制， 显然使用水泵转速控制更为有效合理， 具有显著的节能效果。

四、 节能计算

对于风机、 泵类设备采用变频调速后的节能效果， 通常采用以下两种方式进行计算：

1、 根据已知风机、 泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。

以一台 IS150-125-400 型离心泵为例， 额定流量 200.16m3/h，扬程 50m； 配备 Y225M-4 型电动机， 额定功率 45kW。 泵在阀门调节和转速调节时的流量－负载曲线如下图示。 根据运行要求， 水泵连续 24 小时运行， 其中每天 11 小时运行在 90%负荷， 13 小时运行在50%负荷； 全年运行时间在 300 天。

则每年的节电量为： W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW·h

W2=45×13×（95%－20%） ×300 =131625kW·h

W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW·h

每度电按 0.5 元计算， 则每年可节约电费 8.883 万元。

2、 根据风机、 泵类平方转矩负载关系式： P / P0=（n / n0） 3计算， 式中为 P0 额定转速 n0 时的功率； P 为转速 n 时的功率。

以一台工业锅炉使用的 22 kW 鼓风机为例。 运行工况仍以 24小时连续运行， 其中每天 11 小时运行在 90%负荷（频率按 46Hz 计算， 挡板调节时电机功耗按 98%计算）， 13 小时运行在 50%负荷（频率按 20Hz 计算， 挡板调节时电机功耗按 70%计算）； 全年运行时间在 300 天为计算依据。

则变频调速时每年的节电量为： W1=22×11×[1－（46/50）

3]×300=16067kW·h

W2=22×13×[1－（20/50） 3]×300=80309kW·h

Wb = W1＋W2=16067＋80309=96376 kW·h

挡板开度时的节电量为： W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW·h

W2=22×（1－70%） ×11×300=21780kW·h

Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW·h

相比较节电量为： W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW·h

每度电按 0.5 元计算， 则采用变频调速每年可节约电费 3.657 万元。

某工厂离心式水泵参数为： 离心泵型号 6SA-8， 额定流量 53. 5L/s， 扬程 50m； 所配电机 Y200L2-2 型 37 kW。 对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下：

流 量 L/s 时 间（h） 消耗电网输出的电能（kW·h）

阀门节流调节 电机变频调速

47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.8

40 8 30×8=240 21.16×8=169.3

30 4 27×4=108 13.88×4=55.5

20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7

合计 24 653.4 378.3

相比之下， 在一天内变频调速可比阀门节流控制节省 275.1 kW·h的电量， 节电率达 42.1%。

五、 结束语

风机、 泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术， 受到国家*的普遍重视，《中华人民共和国节约能源法》第 39 条就把它列为通用技术加以推广。 实践证明， 变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果， 是一种理想的调速控制

四、 应该说明： 这里所指的“轻载”； “重载”均指的是：启动段和低频（速） 段电机的负载状态。 如果所有工况下， 其启动段和低频（速） 段负载都是轻载， 就叫轻载。 否则就叫重载。如果在所有工况下， 不会出现电机过载（超过电机额定电流状况； 如偶然卡阻现象的可能） ， 那么就按电机额定电流 110-120%选用（轻载） 。 否则， 如果可能出 现过载的可能， 就按电机额定电流的

150-160%选择变频器（重载） 。

这种叫法； 也可能会避免所谓“风机泵类驱动变频器”叫法， 所带来的误解。