（中铁二十三局集团第三工程有限公司，四川成都611137）
摘要：本文概述变频调速技术，对变频调速技术在隧道施工中空压机、高压水泵以及轴流通风机等方面的节能技术进行了分析。
关键词：变频调速技术；空压机；高压水泵；轴流通风机
前言
近年来，随着高速铁路、高速公路、水电建设的迅猛发展，大量长大高速铁路、高速公路隧道及水电引水隧洞、交通洞的修建，长大隧道（洞）的施工中供应高压风的空压机、供应高压水的高压水泵、供应隧道（洞）新风的轴流通风机是隧道（洞）施工中的耗能大户，这些设备配置的大型机电动机在实际运行过程中耗电量大且运行效率低下，蕴藏着巨大的节能空间，采用变频调速后，不仅获得了相当可观的经济效益，而且提高了运行设备的安全性和可靠性。
1变频调速技术概述
电动机是目前各行业生产中不可或缺的重要设备，生产机械的工作需要电动机拖动来实现设定的工作。上个世纪因为技术发展的限制，电动机运动基本是固定转速的定速拖动。在控制要求的精度不高的环境下，定速运行可以满足大部分的生产需求。而随着工业化和智能化需求，定速控制和拖动的方式已经不能适应生产需求，对传动方式提出了可调的要求。此时电动机的发展也从直流向交流发展，交流电机的造价低性能好，重量轻等优势都是使其获得了较大的应用空间，因此智能调速的技术逐步向交流电机方向发展。实践中使用调速技术后可以大幅度提高机械加工的精度，并可以降低劳动强度和提高生产效率，并为自动化智能控制提供了必要的条件。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：ｎ＝60ｆ（1－ｓ）／ｐ，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交－直－交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
2变频调速技术的节能分析
2.1变频调速技术在空压机上的节能
2.1.1变频节能依据：（1）变频调速的机理：交流异步电机的转速和电源频率之间是存在密切关系的，其电源的频率将直接影响电动机的转速，当电机的绕组极对数和电动机转差率为固定值时，电机的转速和输入电源的频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的转速，从而实现变频调速；（2）变频调速的节能机理：在电动机工作时，负载的功率与转速关系密切，电机的轴功率与电机的转速也成正比例，因此电机转速下降则电机的工作功率也就下降，因此可以通过变速来节能。空压机是一种恒转矩负载工况，不同的速度下转矩相同，但是功率与速度是正比所以当转速降低其功率也会下降，因此可以节约能源。
2.1.2变频空压机的节能机理
变频空压机的压力设定是一个点，即将满足生产设备额定压力参数作为一个系统额定压力，变频空压机将根据整个系统内压力的改变趋势而自动调节空气压缩机的转速，以此平和压缩空气的输出量，从而保证整个网络的压力稳定，满足生产的需求。这样减少了空压机的卸载运行的情况，也就节约了电能；同时变频技术让空压机的启动平缓，消除了电流冲击，减少了频繁变速的能源消耗。
2.2变频调速技术在高压水泵上的节能
通过流体力学的基本定律可知：泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0，阀门全开时的管阻特性为r0，额定工况下与之对应的压力为H1，出口流量为Q1。流量－转速－压力关系曲线如图所示。
在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向Ｉ由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。水泵轴功率实际值（KW可由公式：P＝Q·H／（ηc·ηb）×10-3得出。其中，P、Q、H、ηc、ηb分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（ηc·ηb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速ｎ，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向II由原来的Ａ点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。
另外，从图中还可以看出：阀门调节时将使系统压力H升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，系统压力H将随泵转速ｎ的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小，节能率在75%以上。与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较结果。亦即，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。
2.3变频调速技术在轴流通风机的节能
对通风机进行调速控制属于减少空气动力的节能方法，同调节风门控制风量方法相比，具有明显的节能效果。根据电机学原理， 异步电动机的转速公式：
上式说明：电动机的转速n与电源频率f成线性关系，若电机定子磁极对数p、转差率s不变，改变电源频率f，就可以改变电动机的转速n。通风机的节能调节原理见图1。
当风机工况点在A点时，风量Q1、负压H 1，此时轴功率N1为Q1H 1的乘积，即面积AH10Q1；当生产需要风量由Q1降到Q2、负压由H1 降到H2时，如果采用调节风门方法，则工作特性曲线由（3）变到（4），通风机由A点移到B点运行，轴功率N2 为BH2 0Q2围成的面积，由图1可以看出，H2H3CB围成的面积即为风门消耗的无益功率，这种无益功率对长期运行的风机来说损耗是相当大的，因此，风机节能目标就是尽量消除这种无益损耗。
当采用变频调速控制时，将通风机转速由n1降到n2，根据通风机的比例定律，做出在转速n2下风机的H-Q特性曲线，如曲线（2），工况点C的轴功率为0H3CQ2，可见在满足Q2，H3 的情况下，风门产生的无益损耗通过调速运行已经全没有了，达到了节能目的。
按照通风机的比例定律，其调速后的特性曲线任一点的变化规律是：通风机的转速变为n时，风量Q为同比例下降，负压H为平方关系下降，轴功率P为立方关系下降，而风机转速改变后，运行效率基本不变。当采用变频调速时，频率与转速、风量、风压、轴功率及节电率的关系见表1。
由表1可知，当隧道实际需风量减少时，调整风机转速使其他参数跟随下降，此时轴功率也会降低，电动机输出功率的降低意味着实现节能目标。需要注意的是表1只是对风机能耗的理论计算，并未考虑电动机运行参数的变化，一般电机参数变化规律是调速范围较小，电机功率因数、效率变化不显著，即电机损耗不大；如果转速调节范围较大，电机功率因数、效率则降低较多，即电机损耗较大，因此，对旋风机采用变频调速时，节能计算要考虑电动机参数变化影响，只有电机与负载的机械特性匹配适当，改变了运行工况点，才能得到很好的整体节能效果。
3结语
综上所述，隧道（洞）施工中，特别是在隧道（洞）施工能耗大户的空压机、通风机、高压水泵上采用变频调速后，不仅提高了设备的自动化智能控制水平，而且提高了运行设备的安全性和可靠性，并且能够实现隧道（洞）施工中的节能，获得相当可观的经济效益。
参考文献：
[1]袁雪戡．秦岭终南山特长公路隧道关键技术研究[M]．北京：人民交通出版社，2010
[2]姚潇雨．几种泵类/风机控制方案浅析[J]．变频器世界，2011（04）
[3]王明年，田尚志，郭春，李玉文．公路隧道通风节能技术及地下风机房设计[M]．北京：人民交通出版社，2012
论文作者:王劼竹
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年8月上
论文发表时间:2016/8/18
标签：转速论文; 电机论文; 节能论文; 通风机论文; 电动机论文; 功率论文; 变频调速论文; 《建筑建材装饰》2015年8月上论文;