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论文题目: 论变频器在供暖系统中的应用



名: 山东省潍坊市

所 在 市: 所在单位:

变频器在供暖系统中的应用
90 年代以来,随着大功率晶体管技术发展、大规模集成 电路和计算机技术的突飞猛进, 交流电机的变频调速技术已日 趋完善,在各行各业得到了广泛的应用.尤其在供暖领域,这 一新技术在我国也开始推广应用,实践证明节能效益显著. 1、变频调速器 变频调速器也称变频器, 它采用大功率晶体管 GTR 作为功 率元件,以单片机为核心进行控制,采用 SPWM 正弦脉宽调制 方式,是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品.它 将随着功率元件和计算机技术的发展, 结构上做到体积小, 重 量轻;性能上优于以往的变极调速、串阻调速、串极调速、滑 差电机调速等交流电机调速方式,并且将会逐步以这种崭新的 调速技术取代直流电机调速.用交流异步电机取代直流电机, 将使调速系统更加简单. 1.1、性能与优点 采用 SPWM 控制方法, 使电机的旋转磁场为理想的圆形磁 场,转矩脉动小,电机运转平稳,特别是克服了电压型逆变器 控制中电机低速运行时转距脉动大的缺点.变频调速器优点很 多,比如操作简便、精确可调、数字显示、在线无级调速等,

但其主要的优点在于节能.变频调速器+普通异步电机=新的高 性能调速系统节能装置. 2、变频调速节能原理 在暖通系统中, 水泵类机械的流量控制, 过去很少有采用 转速控制方式的,多是由异步电机拖动,进行恒速运转,当需 要调节流量时, 实际采用的办法是调节节流阀, 这种控制虽然 简单,但从节省能源的观点来看,是很不经济的.采用变频器 对水泵类机械进行转速控制来调节流量的方法,对节约能源、 提高经济效益具有重要意义.变频调速器用于水泵的调速,比 如近年出现的变频调速的系统,它们的节能原理都是相同的. 2.1、变频调速节能的基本原理 以水泵为例,水泵调速运行节电的理论之一是水泵学比 例律.由水泵学比例律可知,对于同一台水泵,当以不同转速 运行时,水泵的流量 Q,扬程 H,轴功率 P 与转速 n 有如下关 系 Q1/Q2=n1/n2 ,(1) H1/H2=(n1/n2) ,(2) P1/P2=(n1/n2) .(3)
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流量与转速成正比, 扬程与转速的平方成正比, 轴功率与 转速的立方成正比.由此可见,当降低转速时,功率的减少量 远比流量的减少量大得多.因此,降低水泵的转速,就有可能 使单位供水量的电耗减少.由电工学可知,电机的转速与输入 频率有如下关系 n=60f(1-s)/p ,(4) 式中:f 为电源频率;s 为滑差率;p 为极对数;n 为电机的转 速. 变频器通过改变电机频率而达到无级调速的目的 .对于 水泵来说, 变频调速供水, 就是通过压力变送器检测管网水压, 并将水压信号转化为电流信号, 反馈给变频器内单片机, 单片 机根据水压情况调整水泵电机输入频率, 从而使水泵转速改变. 例如,在非高峰供水时,水泵减速运行,从而使水泵输入功率 减少, 达到节能的目的.这就是变频调速供水节能的基本原理. 2.2、 2.2、变频调速器的自动控制 变频调速器可以手动控制也可以自动控制.自动控制信 号采用 4~20mA 电流信号或 0~5V 电压信号; 采用闭环控制的 方法可以更好地满足自动控制的要求(如图 1).流量仪表的气 动信号经气电转换器变换为 4~20mA 的电流信号,由变频调速 器的控制端进而来控制电动机的转速以改变流量.如果采用的

是电动仪表, 变频调速器试用又证明是可靠的, 那么图中的气 电转换器、 三通气开关以及气动调节阀都可省去, 从而控制系 统大为简化.而且流量控制的精度比已往的气动调节阀控制高. 根据要求, 变频调速器也可采用温度控制、 压力控制或各种信 号的综合控制. 2.3、 2.3、与阀门调节相比变频调速的节能分析 采用变频调速器后,将泵和管线的阀门全开,用改变电 机电源频率的方法来改变电机转速,进而改变流量.图 2 为水 泵以阀门控制或调速控制时流量 Q 与扬程 H 的关系曲线 (假设 管路末端压头为零).

图1

变频调速器的节能原理图

图 1 中:曲线 1 为泵在转速为 n1 时的 Q-H 性能曲线;曲 线 2 为管路阻力特性曲线;曲线 3 为关小阀门,流量为 Q2 时的 管路阻力特性曲线;曲线 4 为泵在转速为 n2 时的 Q-H 性能曲 线;A,B,C 为水泵的工况点. 泵消耗的轴功率为 P=γQH/η ,(5) 式中:γ为流体容重;η为泵的效率. 由式(5)可知,轴功率与 Q,H 的乘积成正比.因此在工 况点 A, 轴功率与 Q1, 1 的乘积面积 AH1OQ1 成正比.根据工艺要 H 求,当流量从 Q1 减少到 Q2 时,如采用阀门调节方法相当于增 加管路阻力,使管路阻力特性变到曲线 3,系统由原来的工况 点 A 变到新的工况点 B 运行. 从图 2 中可以看出, 压头反而增 加为 H2,轴功率与面积 BH2OQ2 成正比,显然减少不多.如果采 用转速调节,转速由 n1 降到 n2.泵在转速为 n2 时的 Q-H 性能曲 线如曲线 4 所示,可见在同样流量 Q2 时,压头 H3 大幅度降低, 功率(与面积 CH3OQ2 成正比)明显减少,节省的功率与面积 BH2H3C 成正比,很显然节能效益显著.即便考虑到因转速的降 低而引起效率的降低及附加控制装置的效率的影响等, 但节电 效果仍十分明显.此外,电机消耗的功率不仅决定于泵,还和 调速的方法有关.如果电动机的滑差损耗很大,节电效果就大

打折扣了.变频调速器是一种高效调速装置,它与滑差调速、 液力偶合器调速不同,没有滑差损耗,本身的固有损失仅为 1%~2%, 因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于泵的 轴功率.对泵流体机械,流量是与转速成正比的,而轴功率是 与转速的立方成正比的,因此 P=(n/ne) Pe=(Q/Qe) Pe,(6) 式中:ne,Qe,Pe 分别为泵的额定转速、额定流量和额定轴功 率. 由式(3)可知,采用变频调速时,变频器消耗功率为 P 变频 =P=(Q/Qe) Pe .(7) 如果采用阀门调节,电动机消耗功率近似为 P 电 =(0.4+0.6Q/Qe)Pe.(8) 从式(7)和式(8)可见,当流量 Q 变为额定流量的 50% 时,采用变频调速时消耗功率为 0.125Pe.采用阀门调节流量 时,电动机消耗功率 0.7Pe,节电率为 82.1%,节电效果是很 可观的. 2.4、 2.4、在供暖水系统中采用变频器的节电效果 在水暖厂 21#换热站供暖水系统中,采用 110kW 循环泵
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及变频器一开一备运转,2007~2008 采暖期循环泵频率 f=33Hz,由式(7)可算出 21#换热站变频调速消耗功率为 31.62kW,节电率为 71.25%,年节电量为(110-31.62)χ151 χ24=28.4 万 kW.h,电价按 0.57 元/(kW.h)计, 则年节约资金为 16.188 万元;若选用价格为 8.5 万元的变频器两台,则静态 投资回收期为一个采暖期.
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2011-11-16


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