变频器应用1-第5章-变频调速的经济效益课件.ppt

1、变频器应用教程（第二版）张燕宾 编著第5章变频调速的经济效益第5章变频调速的经济效益5.1拖动系统的节能空间5.2调速方法与节能效果5.3变频调速的节能措施5.4从水泵管路的流体功率看节能5.5从电动机的轴功率看节能5.6从电功率看水泵管路的节能5.7风机变频的节能5.8全面评价变频调速的经济效益5.1拖动系统的节能空间5.1.1工频运行的浪费图5-1空气压缩机的泄载5.1拖动系统的节能空间图5-2锅炉给水的回流(1)空气压缩机的泄载空气压缩机在工频运行的情况下，5.1拖动系统的节能空间当储气罐的压力由于用户用气量减小而偏高时，必须通过泄载阀泄放掉部分压缩空气，以维持储气罐内的压力比较稳定，如

2、图5-1所示。(2)锅炉给水泵的回流在图5-2所示的锅炉给水装置中，当输出的热水流量QU不断变化时，要求锅炉汽包里的水位保持恒定。图5-3中央空调的冷却泵5.1拖动系统的节能空间(3)中央空调冷却泵的运行中央空调的冷却泵是用来冷却空调主机的。5.1.2大马拉小车的节能空间1.工频运行的大马拉小车现象图5-4工频运行的大马拉小车a)大马拉小车现象b)大马拉小车工作点5.1拖动系统的节能空间2.工频运行时的IU曲线(1)满载时的IU曲线如图曲线所示，当电压为额定电压UN时，电流等于额定电流I1N，最佳工作点为A点。(2)轻载时的IU曲线当负载只有50kW，电动机轻载运行时，IU曲线如曲线所示，如电

3、压仍为额定电压时，工作点降至B点，电流减小至I1B。(3)机械损失毫无疑问，容量大的电动机，其转子略重一些，内部的风扇叶也略大，故机械损失也略大。5.2调速方法与节能效果5.2.1变速运行的节能空间1.基本分析2.恒转矩负载图5-5恒转矩负载减速后的功率a)全速运行b)低速运行5.2调速方法与节能效果3.二次方律负载图5-6二次方律负载减速后的功率a)全速运行b)低速运行5.2调速方法与节能效果5.2.2调速方法与节能潜力1.机械调速图5-7机械调速装置的机械特性a)机械调速装置b)机械特性曲线2.G-M直流调速系统5.2调速方法与节能效果图5-8龙门刨床的直流调速系统5.2.3异步电动机的调

4、速方法与功耗5.2调速方法与节能效果1.机械特性与能量图图5-9机械特性与能量的关系a)机械特性曲线b)能量图5.2调速方法与节能效果2.转子串入电阻的调速图5-10转子串入电阻后的能量图a)电路图b)机械特性c)能量图5.2调速方法与节能效果3.电磁调速电动机的能量图(1)电磁调速电动机的基本特点图5-11电磁调速电动机a)电动机构成b)机械特性c)能量图5.2调速方法与节能效果(2)功耗分析5.2.4变频调速最节能图5-12变频调速的功率分配a)机械特性b)能量图5.2调速方法与节能效果1.频率下降后的电磁功率2.频率下降后的损耗功率5.3变频调速的节能措施5.3.1大马拉小车的节能1.基

5、本分析图5-13大马拉小车的节能途径a)电动机变频调速b)降压可以节能5.3变频调速的节能措施2.额频运行时的降压方法图5-14额频轻载的降压方法a)加大基本频率b)降压效果3.低频运行时的降压方法5.3变频调速的节能措施(1)低频轻载的降压二次方律负载在低速运行时，极易出现大马拉小车的状态。图5-15低频轻载的降压方法a)风机消耗的低频运行b)低励磁压频比c)I-U曲线(2)低频重载的降压(见图5-16)5.3变频调速的节能措施图5-16低频重载实例1)实例分析某负载，阻转矩等于2088Nm，根据工艺要求，5.3变频调速的节能措施上限转速为222r/min，实行变频调速后，对应的上限频率预置

6、为30Hz。2)节能方法将传动比增大为6.5，则电动机的工作频率必须提高到49Hz，而负载的折算转矩减小为图5-17低频重载的节能a)加大传动比b)加大基本频率5.3变频调速的节能措施4.变频器的自动节能功能5.3.2充分利用拖动系统释放的能量1.拖动系统释放能量(1)释放动能拖动系统在高速运行时，动能较大，速度降低后，动能减小。图5-18拖动系统的释放能量5.3变频调速的节能措施(2)释放位能重力负载的重物在较高位置时，具有较大的位能，位置较低时，位能较小。2.共直流母线的节能图5-19多台变频器的直流母线3.回馈单元的节能5.3变频调速的节能措施图5-20回馈制动单元5.4从水泵管路的流体

7、功率看节能5.4.1水泵管路的基本模型和节能的考察部位1.水泵装置的基本模型图5-21水泵装置的基本模型5.4从水泵管路的流体功率看节能2.供水系统的主要参数(1)流量是单位时间内流过管道内某一截面的水流量，在管道截面不变的情况下，其大小决定于水流的速度。(2)扬程是单位重量的水通过水泵所获得的能量，符号是H。1)静态扬程是供水系统为了提供一定流量必须上扬的高度，也叫实际扬程，符号是HA。2)动态扬程，是供水时克服了各部分管道内的磨擦损失和其他损失后，使水流具有一定的流速所需要的扬程，符号是HD，动态扬程是不能用高度来表示的。3)全扬程动态扬程与静态扬程之和，称为全扬程，符号是HG，也叫工作扬

8、程。(3)管阻是阀门和管道系统对水流的阻力，符号是R。5.4从水泵管路的流体功率看节能(4)压力是表明供水系统中某个位置(某一点)水压的物理量，符号是p。3.系统各部分的功率(1)系统输入的全功率变频器从电源吸取的三相电功率，也就是变频水泵管路系统的全输入功率。(2)变频器的输出功率也是电动机的输入功率。(3)电动机的输出功率(轴功率)就是电动机轴上输出的机械功率，也是水泵的输入功率。(4)水泵的输出功率(流体功率)就是水泵在取水和供水管路中消耗的功率。5.4从水泵管路的流体功率看节能图5-22各部分功率之间的关系5.4.2管路的基本特性与工作点5.4从水泵管路的流体功率看节能1.扬程特性图5

9、-23供水系统的扬程特性a)全速时的扬程特性b)不同转速时的扬程特性2.管阻特性5.4从水泵管路的流体功率看节能图5-24供水系统的管阻特性a)阀门全开时的管阻特性b)不同开度的管阻特性3.供水系统的工作点5.4从水泵管路的流体功率看节能图5-25供水系统的工作点4.流体功率中的基本功耗5.4从水泵管路的流体功率看节能5.4.3流体功率的节能分析1.不同控制方式的节能效果(1)阀门控制法即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变(通常为额定转速)。图5-26不同控制方式的节能效果5.4从水泵管路的流体功率看节能(2)转速控制法(3)两种方法的比较2.流体功率节能的特点(1)节能效果与流量

10、的关系图5-27节能效果与流量的关系a)流量大b)流量小c)流量更小d)节能曲线5.4从水泵管路的流体功率看节能1)并不是流量越小，节约的功率越多。2)当相对流量为0.6左右时，节能效果最好。(2)节能效果与静扬程的关系水泵管路系统的类型很多，如供水管路、取水管路、循环水管路等。1)高楼供水这是许多民用建筑的特点，如图5-28所示。图5-28供水泵站的特点a)高楼供水与节能分析b)车间供水与节能分析5.4从水泵管路的流体功率看节能2)车间供水大多数工厂的车间都是低层建筑，如图5-28b所示。5.5从电动机的轴功率看节能5.5.1电动机的负载功率1.调节阀门时的轴功率图5-29从轴功率看节能a)

11、轴功率与流量的关系b)轴功率节能与流量的关系5.5从电动机的轴功率看节能2.调节转速时的轴功率3.轴功率的节能效果 5.5.2水泵效率引出的差异1.明显的矛盾2.调节转速时的水泵效率图5-30水泵的效率曲线5.5从电动机的轴功率看节能3.调节阀门开度时的水泵效率5.6从电功率看水泵管路的节能5.6.1水泵低速运行的核心问题 (1)设计裕量较大由于用户的管道系统是各不相同的，水泵生产厂不可能对用户的管道系统作明确的限定。(2)低速运行的工况离心式水泵在额定频率以下运行时，负载转矩下降较多，如图5-31b曲线上的D点所示。图5-31水泵的低频运行a)水泵模型b)低频运行的工况5.6从电功率看水泵管

12、路的节能5.6.2功能预置与节能效果图5-32功能预置的影响a)U/f线b)电流-电压曲线5.6.3变频泵节能小结5.6从电功率看水泵管路的节能1.节能的体现图5-33变频泵的节能小结5.6从电功率看水泵管路的节能2.各环节的节能特点(1)流体功率的节能效果，是比较两种调节流量的方法的结果。(2)电动机轴功率的节能效果主要和转速(从而也和流量)有关。(3)因为水泵在低速运行时，拖动系统处于大马拉小车的状态。5.7风机变频的节能5.7.1风机的特性和工作点(1)机械特性风机也属于二次方律负载，其机械特性和水泵类似。(2)风压特性在转速不变的情况下，风压PF和风量QF之间的关系曲线，称为风压特性曲

13、线，如图5-34b曲线所示。(3)风阻特性在风门开度不变的情况下，表示风量与风压关系的曲线，如图5-34b曲线所示。(4)通风系统的工作点风压特性与风阻特性的交点，即为通风系统的工作点，如图5-34b N点。5.7风机变频的节能图5-34风机的特性a)风机示意图b)风压与风阻特性5.7风机变频的节能5.7.2 风量的调节方法与比较 (1)调节风量大小的方法1)调节风门的开度这时，转速不变，故风压特性也不变，仍为曲线。图5-35调节风量的方法比较5.7风机变频的节能2)调节转速这时风门开度不变，故风阻特性也不变，仍为曲线。(2)两种方法的比较由图可知：在所需风量同为QFX的情况下，调节转速的方法

14、所节约的功率P与面积ABFG成正比。表5-1加热炉鼓风机的实测数据5.8全面评价变频调速的经济效益5.8.1故障率减少的效益1.直流电动机2.绕线转子异步电动机3.电磁调速电动机(1)正在生产的那匹布报废；(2)从发生故障到修复后重新生产的时间内，由于不能生产造成的损失；(3)修理电动机所需的资金；(4)各种染料及其他材料的损失。5.8.2设备寿命延长的效益1.彻底消除供水系统中的水锤效应5.8全面评价变频调速的经济效益(1)起动时的水锤效应异步电动机在全压起动时从静止状态加速到额定转速，所需时间只有0.25s。(2)停机时的水锤效应如果让水泵切断电源，使之自由停机，供水系统的水头将克服电机的

15、惯性而使水泵急剧地停止。(3)产生水锤效应的原因产生水锤效应的根本原因，是在起动和制动过程中的动态转矩太大。图5-36水泵的全压起动和变频起动a)全压起动b)变频起动5.8全面评价变频调速的经济效益(4)水锤效应的消除采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长起动过程，使动态转矩大为减小，如图5-36b所示。2.设备寿命延长的其他方面(1)机械磨损的减少采用变频调速后，生产机械在运行过程中的平均转速下降，故磨损减少，寿命延长。(2)机械的故障率大幅下降例如，卷取机械的磁粉离合器等易损件取消，减少了整台机械的故障率。5.8.3产品质量提高的效益(1)螺杆挤压机高速纺丝用螺杆挤压机，根据工艺要求，螺杆的挤出压力必须保持恒定，才能保证纺丝的质量。5.8全面评价变频调速的经济效益图5-37螺杆挤压机(2)尿素造粒离心机原来采用电磁调速电动机，5.8全面评价变频调速的经济效益因不能根据负荷轻重随时调整转速，质量不够稳定，残次品较多。图5-38尿素造粒离心机5.8全面评价变频调速的经济效益5.8.4意外惊喜带来的效益(1)锅炉的鼓风机和引风机改造某厂10t蒸汽锅炉所用鼓风机容量为18.5kW；引风机容量为55kW，每天工作24h。(2)恒压供油 某厂以重油为燃料的燃烧炉，采用变频调速实现恒压供油后，非但节电节油，并且由于燃烧充分，烟囱里不再冒黑烟了