科学瞎想系列之五十九 变频调速与节能

标准答案

2017-10-24 龙行天下 龙行天下CSIEM  












节能是当今的热门话题之一，所谓节能就是达到同样的目的和效果，所消耗的能量尽量减少。节能的技术不胜枚举，变频调速就是最常见的一种。我们先看看变频调速是怎么节能的。






                                 图1




风机、泵类负载是我们日常生活和生产中的耗电大户，也是电动机最为常见的负载，这类负载有一个共同的特点，就是它们都是对流体做功，驱动流体在管路或流场中流动，此时风机或泵相当于一个源，而管路相当于这个源的负载，其等效电路图如图1所示，管路中的流体流量相当于电路中的电流，管路进出口的压力差相当于电路中的电压。对于负载侧，当管路进出口有压力差时，流体就会沿管路流动，流量与压差之间符合欧姆定律关系，只不过管路的流阻不是个常数，而是与流量有关（近似与流量的平方成正比）如图2所示。






图2                            图3

管路的流阻不同则该特性曲线不同，图2中的曲线依次为R3＞R2＞R1;对于源侧，其外特性与电压源类似，进出口的压力差随流量增大而减小，因此其外特性为一下垂的曲线如图3 n1、n2所示，转速不同则外特性曲线也不同，如图3中n1＞n2。






                             图4

当二者组成一个系统后，其稳态的工作点就是管路流阻曲线和风机或泵的外特性曲线的交点A（如图4），此时系统的功耗即为A点所反映的压差H1与流量Q1的乘积，即矩形O-Q1-A-H1所围成的面积。

在我们的日常生产生活中，往往需要调节流体的流量，例如在通风系统中，有时需要风量大有时需要风量小; 在空调系统中有时需要制冷剂的流量大有时需要流量小; 在水泵或油泵系统中也有时需要水量或油量大有时需要流量小，等等。在这些需要调节流量的场合，以往的办法通常是通过调节管路的阀门开度来调节流量，如我们的自来水，需要小流量时就关小水龙头。这种调节方法的原理是改变管路的流阻来调节流量。如图4所示，关小水龙头则管路的流阻特性曲线就会从原来的曲线1变为曲线2，相应地工作点就由A变为B，流量就由Q1减小到Q2，从而达到调节流量的目的，此时系统的功耗将从矩形O-Q1-A-H1所围成的面积变成矩形O-Q2-B-H2所围成的面积，可见虽然流量减小了，但功耗并没有显著减小，甚至还可能会增大，因此我们说这种调节流量的办法是不节能或节能不显著的。






                              图5

如果采用调速的方法来调节流量，就相当于保持管路的流阻特性曲线不变，改变风机或泵的外特性曲线，由曲线n1变为曲线n2，与原来的流阻曲线R1的交点由A变成C点，且C点的流量与B点相同，以保证流量达到与调节阀门同样的效果（如图5）。此时系统的功耗即为矩形O-Q2-C-H3所围成的面积。与调节阀门的办法相比，功耗减小了矩形H3--C-B-H2所围成的面积，这就是节约的功耗，由图5可见其节能效果十分显著。

了解了调速节能的原理，老师要告诉宝宝们的是: 节能的技术措施有千千万，但归纳起来无非是两大类，一是从提高设备的效率出发，通过新材料的应用、设计的优化等技术措施提高各设备的效率和高效范围达到节能目的; 二是从系统的角度出发，通过工艺流程的改进、系统配置的简化、优化能量转化流程和转化途径等技术措施实现节能。上述节能措施就属于后者。对于风机、泵类负载系统，采用调速的方法来调节流量比采用调节阀门开度调节流量可以显著节能。这项节能措施的节能效果来自调速，这是由流体的流阻特性和风机、泵类的外特性等这些固有特性所决定的，与调速方法是变频还是其它调速办法没有半毛钱的关系，在风机泵类系统中，只要是调速就可以节能，因此这份"功劳"应该记到调速身上，而不应该记到变频身上，而且这种节能只适用于风机、泵类系统，对于恒转矩负载，如卷扬机、传送带等负载系统，调速不一定意味着节能，许多场合采用变频只是为了达到所需要的调速或启动目的，而不是为了节能。事实上，由于采用了变频器加电机的组合，变频器还要有功耗，这比单独采用电机驱动在传动效率上未必有优势，我们一定要把通过实现途径的优化带来的系统节能效果与设备效率提高带来的节能效果区分开来，该是谁的功劳就记在谁的功劳簿上，别一提变频调速就认为一定是节能的。

随着国家对节能降耗工作的重视和对节能技术的扶持，现在"节能"这个词炙手可热，许多商家都拿节能说事，宣传推销其节能的技术和产品，其中有些是靠谱的，也不乏有炒作的。变频调速对需要调节流量的风机、泵类系统节能效果显著这是毋庸置疑的，但是不能把变频调速无条件地推广到任意场合，更不能靠嘣一些时髦的"专业术语"来肆意夸大和虚假宣传。例如变频空调可以节能这没错，但欺负宝宝们不太清楚"变频"是怎么回事，嘣一些宝宝们不太熟悉的"专业"词汇，神马"1赫兹好变频"、"直流变频"、"一晚只需一度电"等等，这些都是大忽悠。还有一些节能改造的大型项目，本来无需调速的场合或可以采用其它方法调速的场合，非得用变频调速来画蛇添足，以忽悠政府、忽悠客户，希望宝宝们看了这篇瞎想不要再成为被忽悠的SB！