前言
能源短缺和環(huán)境污染是人類當(dāng)前共同面臨的世紀(jì)性難題。我國人口眾多，能源資源相對匱乏,節(jié)約能源猶顯重要。
電力資源是資源戰(zhàn)略問題中的重中之重，是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)。通過技術(shù)進(jìn)步，逐步提高電力利用效率，節(jié)省有限的自然資源，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
“十一五”規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)單位GDP能耗下降20%，主要途徑有三個，包括結(jié)構(gòu)節(jié)能、推進(jìn)技術(shù)節(jié)能及管理節(jié)能。據(jù)資料顯示我國高、低壓電動機(jī)總?cè)萘吭?5000MW以上，大部分為風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，它們大多工作在高能耗、低效率狀態(tài)。覆蓋電力、石油、化工、冶金、制造、環(huán)保、市政等行業(yè)，其耗電量占全國總用電量的40%左右。而水泵和風(fēng)機(jī)的一個特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如可根據(jù)所需的流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，就可獲得很好的節(jié)電效果，一般可節(jié)電20%～50%。
目前我國大型異步電動機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速剛剛起步，但國外已經(jīng)廣泛使用，而且隨著電力電子器件的發(fā)展，高壓變頻裝置的型式多種多樣。通過他們長期的運(yùn)行實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益良好、其可靠性也可以得到保證。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速、起動和制動性能、高效率、高功率因數(shù)、良好的節(jié)電效果及廣泛的適用范圍等優(yōu)點(diǎn)被國內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
我公司結(jié)合本單位的實(shí)際情況，根據(jù)集團(tuán)公司的要求專門成立了節(jié)能辦公室，使整體能耗下降12%，在風(fēng)機(jī)、水泵上的應(yīng)用效果猶其明顯。
一、節(jié)電原理 調(diào)速節(jié)電
1.1改造項(xiàng)目介紹
礦石破碎除塵離心風(fēng)機(jī)，取水離心水泵，浮選機(jī)組（特性與水泵相似）。
1.2運(yùn)行工況分析（以風(fēng)機(jī)為例說明）
在實(shí)際運(yùn)行時，由于采用進(jìn)風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)，大部分的能量都被消耗在擋板上了，且擋板的開度越小則耗能就更多。在一般情況下，采用擋板調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)其實(shí)際消耗功率與風(fēng)量大致成正比，與風(fēng)門的開度也大致成正比，從上述工況中的風(fēng)門開度及電流參數(shù)也可以看出這一點(diǎn)。
對運(yùn)行情況進(jìn)行分析，可以得出以下兩點(diǎn)：
（1）風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量約為額定風(fēng)量的一部分，風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)離額定點(diǎn)運(yùn)行，其實(shí)際運(yùn)行效率很低。
（2）由于擋板的存在，擋板前后存在壓差，消耗了很大一部分能量。
所以可以從以上兩個方面改善其運(yùn)行工況，減小損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。
1.3改造建議
擋板這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，已成習(xí)慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費(fèi)大量能源為代價的。對于大功率電機(jī)，耗能則更大。當(dāng)采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，其效率最高，因?yàn)轱L(fēng)量隨轉(zhuǎn)速的一次方下降，而其軸功率則按轉(zhuǎn)速的三次方規(guī)律下降，而目前性能最佳的調(diào)速方式則是國際上公認(rèn)的交流變頻調(diào)速技術(shù)。對于變頻器的選擇，我們做了詳細(xì)的市場調(diào)查，經(jīng)過公司領(lǐng)導(dǎo)的慎重考慮，最終選擇了深圳市微能科技生產(chǎn)的WIN-9P系列風(fēng)機(jī)專用型變頻器和WIN-9GV高性能電流矢量型變頻器，進(jìn)行破碎除塵風(fēng)機(jī)，湖邊水泵和浮選機(jī)的改造。
二、變頻改造的節(jié)能分析
2.1變頻調(diào)速節(jié)能原理
從流體力學(xué)的原理得知，使用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的風(fēng)機(jī)，軸功率P與風(fēng)量Q，風(fēng)壓H的關(guān)系為：
當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時, Q、 H、 P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:
可見風(fēng)量Q和電機(jī)的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，而所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。所以當(dāng)需要80%的額定風(fēng)量時，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80%，即調(diào)節(jié)頻率到40赫茲即可，這時所需功率將僅為原來的51.2%。
如下圖所示，從風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線圖來分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。
圖3-1 風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線
當(dāng)所需風(fēng)量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的辦法，管網(wǎng)阻力將會增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)變到新的運(yùn)行工況點(diǎn)B點(diǎn)運(yùn)行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比;如果采用調(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但風(fēng)機(jī)的特性曲線將下移，因此其運(yùn)行工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至C點(diǎn)。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Delt（P）與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。
考慮減速后效率下降和調(diào)速裝置的附加損耗，通過實(shí)踐的統(tǒng)計，風(fēng)機(jī)類通過調(diào)速控制可節(jié)能達(dá)20%～50%。
2.2變頻改造節(jié)能分析
改造前工頻運(yùn)行功率計算公式
其中： U——電機(jī)電壓，kV;
I——電機(jī)電流，A;
P1——單一負(fù)荷下工頻運(yùn)行功率， kW;
——單一負(fù)荷下運(yùn)行功率因數(shù)，小于額定功率因數(shù)。
其中： T——全年平均運(yùn)行時間，h;
P1——單一負(fù)荷下的運(yùn)行功率，kW;
δ——這種負(fù)荷下的全年運(yùn)行時間比例;
C1——改造前總耗電量，kW·h。
改造后變頻運(yùn)行預(yù)計功率計算公式：
利用公式： 
計算出
的比。
其中： P1——工頻運(yùn)行功率，KW;
P額——額定軸功率，KW;
——運(yùn)行工況與額定工況下的效率、壓力比，小功率電機(jī)取1，大功率電機(jī)取0.9
根據(jù)改造風(fēng)量不變的原則，有Q1-Q2，其中Q2為改造后的風(fēng)量。所以
。再根據(jù)
，即
計算出P2。其中P2是變頻改造后預(yù)計運(yùn)行功率，η為變頻裝置的效率。
其中C2——改造后總耗電量，kW·h。
2.3節(jié)能對照表：風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速時的能耗比較
上述均為百分比，100%流量為風(fēng)機(jī)的額定流量，100%功率為工頻額定工況運(yùn)行時消耗功率（即電機(jī)輸入功率 = 風(fēng)機(jī)額定軸功率/電機(jī)效率，電機(jī)效率一般為93-96%，額定功率較大者效率較高）。變頻調(diào)速時的節(jié)能量即為兩種調(diào)節(jié)方式的能耗差值（百分比乘額定消耗功率）。
2.4 破碎除塵風(fēng)機(jī)技改前后能耗對照表
三、變頻調(diào)速其他附加好處
（1）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高：原電機(jī)直接由工頻驅(qū)動時，滿載時功率因數(shù)為0.85左右，實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)遠(yuǎn)低于0.8。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.9以上，無需無功補(bǔ)償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網(wǎng)要求，可進(jìn)一步節(jié)約上游設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。
（2）設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用下降：采用變頻調(diào)節(jié)后，由于通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在負(fù)荷率較低時，電機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也降低，主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等磨損較前減輕，維護(hù)周期可加長，設(shè)備運(yùn)行壽命延長;并且變頻改造后風(fēng)門開度可達(dá)100%，運(yùn)行中不承受壓力，可顯著減少風(fēng)門的維護(hù)量。變頻器運(yùn)行中，只需定期對變頻器除塵，不用停機(jī)，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。隨著生產(chǎn)的需要，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，既滿足生產(chǎn)工藝的要求，工作強(qiáng)度又大大降低。采用變頻技術(shù)調(diào)速后，減少了機(jī)械磨損，維護(hù)工作量降低，檢修費(fèi)用下降。
（3）用變頻調(diào)速裝置后，可對電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動，啟動時電流不超過電機(jī)額定電流的1.2倍，對電網(wǎng)無任何沖擊，電機(jī)使用壽命延長。在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，電機(jī)可保證運(yùn)行平穩(wěn)，損耗減小，溫升正常。風(fēng)機(jī)啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。
（4）與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升等多項(xiàng)保護(hù)功能，更完善地保護(hù)了電機(jī)。
（5）操作簡單，運(yùn)行方便。可通過計算機(jī)遠(yuǎn)程給定風(fēng)量或壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。
（6）適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動能力強(qiáng)，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-15%～+10%之間波動時，系統(tǒng)均可正常運(yùn)行。
四、結(jié) 論
通過對礦石破碎除塵離心風(fēng)機(jī)（節(jié)能28%），湖邊離心水泵（節(jié)能26%），浮選機(jī)組進(jìn)行改造（節(jié)能26%），取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過此次改造，也驗(yàn)證了用深圳市微能科技有限公司的變頻器改造具有優(yōu)異的性價比，為公司以后使用大功率高、低壓電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造提供了一個較為經(jīng)濟(jì)可靠的選擇。