变频调速的方法及节能原理

变频调速的方法及节能原理

交流异步电动机的输出转速由下式确定：n=60f（l—S）/p（1）

式中n——电动机的输出转速；f—输入的电源频率；S——电动机

的转差率；p——机电的极对数。

由公式⑴可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电

机的极对数有关系，于是交流电动机的直接调速方式主要有变极调速（调

整P）、转子串电阻调速或者串级调速或者内反馈机电（调整S）和变频调

速（调整f）等。

变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方

法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交

流电动机，实现交流电动机的变速运行。

将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：

一种称为直接变换方式，又称为交一交变频方式，它是通过可控整流和可

控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，于是

称其为交流一交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交-直-

交变频方式，它是先将输入的工频交流电通过全控/半控/不控整流变换为

直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电

输出。调速节能的原理

通过流体力学的基本定律可知：风机（或者水泵）类设备均属平方转

矩负载，其转速n与流量Q、压力（扬程）II以及轴功率P具有如下关系:

Ql/Q2=nl/n2（2）Hl/H2=（nl/n2）2（3）Pl/P2=（nl/n2）3（4）

式中QI、Hl、Pl——风机（或者水泵）在nl转速时的流量、压力（

或者扬程）、轴功率；

Q2、H2、P2——风机（或者水泵）在n2转速时的相似工况条件下的

流量、压力（或者

扬程）、轴功率。

由公式（2）、（3）、（4）可知，风机（或者水泵）的流量与其转速成正比,

压力（或者扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。

由公式（4）可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调机电的运

行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，节电效果非常明显。例

如工况只需要50%的风量或者水量，则可以将机电的转速调节为额定的一

半，此时机电消耗的功率仅为额定的12.5%,即理论上节能可达87.5%o

高压变频调速系统与液力偶合器的比较液力偶合器存在的主要缺陷

火力发电厂普通采用液力偶合器进行风机调速的居多，由于液力偶合

器本身具有如下技术缺陷，在电厂中将无法较好地满足安全生产的要求。

a.液力偶合器调速属耗能型调速方式，在调速范围较大时，产生机

械损耗和转差损耗，消耗能量，效率较低，节能效果普通。

b.液力偶合器是一种以液体为介质，靠液体动量矩的变化传递能量

的装置，工作时是通过一导管调整工作腔的充液量，从而改变传递扭矩和

输出转速来满足工况要求。因此，对工作腔及供油系统需时常维护及检修。

c.液力偶合器故障时，无法再用其它方式使其拖动的风机运行，必

须停电检修。d.采用液力偶合器时，在低速向高速运行过程中，延迟性

较明显，不能快速响应，同时这时候的电流较大，如整定不好会引起跳闸，

影响系统稳定性。

e.液力偶合器本身控制精度差，调速范围窄，通常在40%~90%之

间。f.机电启动时，冲击电流较大，影响电网的稳定性。

g.在高速运行时，液力偶合器有丢转现象，严重时会影响工作的正

常进行。从以上情况来看，如果继续使用液力偶合器，将会制约电厂节能

降耗、降低生产成本、提高生产效率、增加企业竞争力的目的。高压变频

器具有的优点

现在有不少电力企业已经采用新型的高压大功率变频调速装置拖动风

机，取得了良好的应用效果。同传统的液力偶合器比较，高压变频器具有

以下优点：

a.采用先进的拓扑结构与输入变压器副边多级绕组移相整流技术，

减少了输出侧的电流谐波，提高了功率因数，解决了对电网的谐波污染，

无需任何滤波或者功率因数的补偿。

b.电动机实现了真正的软启动、软停运，变频器提供给机电的无谐

波干扰的正弦波电流，峰值电流和峰值时间大为减少，可消除对电网和负

载的冲击，避免产生操作过电压

而损伤机电绝缘，延长了电动机和风机、水泵的使用寿命。同时，变

频器设置共振点跳转频率，避免了风机、水泵处于共振点运行的可能性，

使风机、水泵工作平稳，轴承磨损减少，启动平滑，消除了机械的冲击力,

提高了设备的使用寿命。

c.变频器自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多,

更灵敏，瞬间过流保护（超过200%额定电流峰值）10口，动作有效过流保护

（150%额定电流）3动作，过载保护（12096额定电流）lmin动作，大大和强了

对电动机的保护。

d.调速工段内的设备调节和优化控制由机组DCS完成，DCS负责采

集摹拟量、开关量等信号，变频器输出的摹拟量、开关量信号全部进入

DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机联锁功能等。

e.采用变频调节，实现了挡板、阀门全开，减少了挡板、阀门节流

损失，且能均匀调速，满足调峰需要，节约了大量的电能，具有显著的节

电效果。

f.整机的运行噪音改善明显：采用液力偶合器时，无论低速高速，

由于机电均处于工频运行，整机的噪音明显，达到90dB摆布，但是进行

变频改造后，整机的运行频率下降至40Hz摆布，机电的运行噪音明显下

降，低于80dB,在低速运行时基本上听不到噪音，达到65dB以下，大大

改善了现场的噪音污染。

g.由于机电降低速度运行以及工作在高效率区，机电的温升和轴承

温升下降明显：机电温升由采用液力偶合器时的59℃下降至44℃,机电

的先后轴承的温度都有相应的下降，延长了风机系统的使用寿命。

h.低负荷下转速降低，减少了机械部份的磨损和振动，延长了风机

大修周期，可节省大量的检修费用。

i.日常维护保养工作量和费用下降：采用液力偶合器估计每年的维

护费用在5万元摆布，采用变频器后，这项费用下降为数千元摆布。

J.调速范围：采用液力偶合器调速范围具有相当大的限制，采用变

频器后，实现智能调速，系统调频范围0~50Hz,大大地增强了工艺调节

能力。

为了检测高压变频装置的节能情况，某电厂在风机上采用液力偶合器

与北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERT-A高压变频装置调速作对

比试验，数据如下：

a.采用变频器拖动风机时高速状态：

Pl=UIco（1）=1.732某6.3某40.2某0.96=419.00544kW低速状态：

P2=Ulco（1）=1.732某6.3某18某0.95=186.58836kW

平均功率P=P1某0.8+P2某0,2=372.52kW（高速状态约80%,低速状

态为20%）

b.采用液力偶合器时高速状态：

PV=UIcod）=1.732某6.3某52某0・93=527.68kW低速状态:

P2'=UIcod）=1.732某6.3某44某0.9=432.IkW

平均功率p，=pr某0.8+P2'某0.2=508.564W（高速状态约80%,

低速状态为20%）c.采用变频调速和采用液力偶合器调速运行的节能率对

比F二（P'-P）/P=（508.564-375.52）/508.564=26.17%结论：

变频改造后，风机运行效率明显提高，比液力偶合器调速节电

26.17机变频器节能分析

火力发电企'也消耗的厂用电量中，75%以卜•的负荷为水泵与风机，这

些水泵与风机都是经过调整门挡板来实现的，非但调节质量差、响应慢，

而且存在着浪费电能的问题。

风机节能分析

风机风量控制

送风机和引风机是火电厂中的耗电大户，其耗电量约占厂用电量的

30%、占机组发电量的2%-4%o因此，正确选择送风机和引风机的调

节风量的方式，对火电厂的安全和经济运行有着重要意义。

机电以定速运转，调节风机风量典型的方法是采用挡板控制。根据挡

板在风道中的安装位置可分为出口挡板控制和入口挡板控制，采用挡板控

制时，当挡板关小则增加风阻，且不能在宽范围调节风量。例如，要求风

量在80%的情况下，机电消耗的功率约为90%,能量损失严重。

风机在变速状态下运行，保持挡板全开，通过改变风机转速来调整风

量，采用变频控制时，电动机消耗的功率=(80%)3-50%,与其他控

制相比，转速控制的节电效果I分明显。电厂风机的各种调速装置的比较,

见图1示。

1一一输出端风门控制时电动机输入功率2一一输入端风门控制时电

动机输入功率

3——转差功率调节控制(转差电动机或者液力偶合器)时电动机输

入功率4——变频器调速控制时电动机的输入功率5——调速控制时电

动机轴功率

送风机变频改造后的节能分析

某电厂使用北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERTHARSVERT-A

高压变频器，选定在机组带50%、75%、100%负荷3种工况下对#4炉2

台送风机进行工频和变频2种运行方式下的对照试验，机组运行工况和测

试计算结果见表1。表1#4炉送风机试验工况和测试计算结果发机电(MW)

100150200工频变频工频变频工频变频主蒸汽温度

（甲/乙）/℃534/540529/538531/534535/537538/53730/532主蒸汽

压力/MPalL8012.1013.4313.6613.3713.41风机入口挡板开度

（甲/乙）/%25/20220/10030/30100/10038/3694/90风机电流

（甲/乙）/A80/7941/2181/8043/3690/8750/49

电动机输入功率

（甲/乙）

/kW729.0/720.0452.8/246.2778.4/743.2476.0/443.1886.2/822.9470.2

/505.3风机设备运行效率

/%58.47/50.1475.53/75.3352.34/49.7387.00/79.5356.73/58.4252.34/

49.73

平均运行时间（%）603010

从表1可以看出，送风机变频调节方式运行效率基本在75%~80%,

而工频调节方式运行效率为55%摆布（图2）；机组在100MW、150MW、

200MW负荷时，2台送风机变频运行比工频运行每小时分别节电750kW・h、

602.5kW-h.733.6kW-ho变频改造后，送风机运行效率明显提高，节电

效果显著C

M炉2台送风机变频改造后以年运行7000h计算，全年可节约电量

4928770kW-h0按该公司上网电价0.30元/（kW・h）计算，直接经济效益

约为148万元。水泵节能分析水泵流量控制

水泵是由恒速机电驱动出口阀及调节阀控制水的流量和压力，通过人

为增加阻力和回流的办法达到调节流量的目的，于是在运行中产生了大量

的能量损失。

水泵的转速在某一范围内变化时，流量、总扬程、轴功率挨次有线性、

平方、立方关系。但对于实际的水泵负载，通常存在一个与高低差有关的

实际扬程，扬程越小，轴功率越接近于同转速成立方的定常特性，而且转

速控制产生的节电效果也越大。根据实际调直表明普通老电厂大型水泵平

均流量的余量大于20%,即有多于20%的流量损耗在节流阀和回流调节

上，若所需要的流量减少20%,则相应的电动机转速也应降低20%,即

实际转速为80%,则根据流量与转速的关系式我们可得出：

(80%)3^51%,即按此工况水泵节电近50%。由此可见，节能潜力之大,

效益之高。电厂水泵的各种调速装置的比较，见图2示。

1——排出管路阀门控制时电动机输入功率

2——转差功率调节控制(转差电动机或者液力偶合器)时电动机输

入功率3——变频器调速控制时电动机的输入功率4——调速控制时电

动机轴功率

当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1,工作电流比机电

额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因

数的作用，可以为电厂节约容量20%摆布。

凝结水泵变频改造后的节能分析

某电厂使用北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERT-A高压变频

器，选定在机组带350MW、315MW、280MW、240MW、210MW.175W负荷6

种工况下对某电厂#1机1台凝结水泵进行工频和变频两种运行方式下的

对照试验，机组运行工况和测试计算结果见表2。

表2#1机凝结水泵试验工况和测试计算结果

电动

发机电凝结水流电动机功率凝结水泵出口压

机效平均运行

(MW)量(t/h)(kW)泵效率力(m)

率时间晚)

768768685685630630599599492492421421

0.940.940.930.930.930.920.920.910.920.900.920.88

652.55573.58633.38454.18617.61384.14609.00349.95564.38244.09539

.24193.92

0.810.810.810.810.800.810.800.810.800.810.800.80

237.56200.46255.77174.23267.82158.51274.77150.22310.021