變頻器在風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：該文介紹了風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的驅(qū)動(dòng)機(jī)理和運(yùn)行特性，說明其具有改善電機(jī)工作狀態(tài)，節(jié)能降耗的優(yōu)良性能，從而降低相關(guān)企業(yè)的運(yùn)行成本。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī) 變頻調(diào)速 節(jié)能

中圖分類號(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0049-02

風(fēng)機(jī)設(shè)備在工礦企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的控制方式是不管生產(chǎn)過程對(duì)風(fēng)量的需求量，風(fēng)機(jī)始終處于額定工作狀態(tài)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出恒定的風(fēng)量，并通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或風(fēng)門的開度來改變風(fēng)量或流量的大小。這種控制方式雖然簡(jiǎn)單易行，但從節(jié)能的角度來看是不經(jīng)濟(jì)的。統(tǒng)計(jì)顯示，生產(chǎn)成本的7%～25%被消耗在擋風(fēng)板或風(fēng)門及其維護(hù)上，造成了大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗，同時(shí)使控制精度也受到限制，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。采用變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行，通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量的方案，可以大大降低功率損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。

1 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的驅(qū)動(dòng)機(jī)理

隨著變頻技術(shù)的日益成熟，變頻器在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越多，甚至許多廠家都生產(chǎn)有廉價(jià)的風(fēng)機(jī)專用變頻器以供擇用。交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為，當(dāng)磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差頻率恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速只與電源頻率成正比，只要改變電源頻率即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電源頻率在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就在0～之間調(diào)節(jié)。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率來實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是理想高效的調(diào)速手段。

風(fēng)機(jī)負(fù)載的最大特點(diǎn)是軸轉(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。其關(guān)系可表示為和，式中、分別為電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩和功率，、分別為電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩和空載損耗，、分別為電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩和功率，為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，當(dāng)工作過程需要風(fēng)量減少時(shí)，降低轉(zhuǎn)速可使功率消耗減小很多。例如，當(dāng)需要風(fēng)量下降到額定需求的80%時(shí)，通過變頻器內(nèi)預(yù)置的參數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速也下降到額定轉(zhuǎn)速的80%，則風(fēng)機(jī)的軸功率要下降到原值的（80%）[3]，即51.2%，考慮電機(jī)空載損耗等影響，其節(jié)能也接近40%?？梢娖涔?jié)能效果十分顯著。

2 變頻調(diào)速的運(yùn)行特性

變頻器是一種利用電力半導(dǎo)體器件的頻繁通斷將工頻交流電變換為頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)的交流電的電能轉(zhuǎn)換裝置。它能根據(jù)工況對(duì)控制風(fēng)量大小的要求輸出合適的頻率使風(fēng)機(jī)獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，其工作特定如下：（1）可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。使用變頻器調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性屬硬特性且基本平行，具有調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。并能獲得理想的低速輸出轉(zhuǎn)矩和低速過載能力。（2）改善電機(jī)的啟動(dòng)性能。變頻器具有軟啟動(dòng)功能，可以避免工頻啟動(dòng)時(shí)浪涌電流對(duì)電機(jī)等電網(wǎng)設(shè)備的沖擊所造成的不良影響，減小電源容量的同時(shí)，也減小了風(fēng)機(jī)的機(jī)械損耗。（3）運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)靈活多樣?？梢允謩?dòng)控制，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；可以構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。（4）保護(hù)功能齊全。通過對(duì)變頻器的參數(shù)設(shè)置獲得過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能。（5）節(jié)能效果顯著。風(fēng)機(jī)的軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以大大減少風(fēng)機(jī)軸功率的消耗，節(jié)約用戶成本。

3 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的控制原理

一般而言，風(fēng)機(jī)處于正轉(zhuǎn)工作狀態(tài)?？紤]到變頻器發(fā)生故障時(shí)風(fēng)機(jī)必須繼續(xù)保持工作狀態(tài)，還應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)在變頻器故障時(shí)由變頻運(yùn)行強(qiáng)行切換到工頻運(yùn)行的工作電路。其主電路原理圖如圖1所示。

由圖1可知，通過斷路器QF接入三相工頻電源，接觸器KM1將電源引至變頻器的輸入端（R、S、T端），變頻器的輸出端（U、V、W端）通過接觸器KM2與驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)相連。接觸器KM3則將三相工頻電源直接引至電動(dòng)機(jī)，以便在需要時(shí)切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)。正向啟動(dòng)控制端子FWD通過凸輪轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1與公共端CM相連以保證電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)單向運(yùn)行。在模擬信號(hào)輸出端FMA和GND端之間跨接頻率表，用于監(jiān)視變頻器的運(yùn)行頻率。數(shù)字量輸入端X4、X5通過凸輪轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2與公共端CM相連，若凸輪轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2接至“1”擋使X4與公共端CM接通，則控制輸出頻率降低；若凸輪轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2接至“2”擋使X5與公共端CM接通，則控制輸出頻率增大；若凸輪轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2接至空擋，則控制輸出頻率保持。熔斷器FU和熱繼電器FR串接于電路中分別用于線路的短路保護(hù)和過載保護(hù)。必須指出，接觸器KM1、KM2必須有可靠的互鎖以避免同時(shí)導(dǎo)通而造成嚴(yán)重短路的后果。

為了配合硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制，還要對(duì)變頻器的內(nèi)部功能參數(shù)做適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以森蘭BT40S系列變頻器為例，其內(nèi)部主要功能參數(shù)預(yù)置為：（1）F01=3，設(shè)置X4、X5作為變頻器輸出頻率的外控加、減頻率端子來使用，加減速時(shí)間固定為第1加減速時(shí)間，X4為遞減，X5為遞增。（2）F02=1，設(shè)置變頻器的運(yùn)行狀態(tài)由外部端子FWD、REV來控制，且變頻器面板上的STOP按鍵仍有效。（3）F08和F09分別為加速時(shí)間1和減速時(shí)間1，其設(shè)置范圍為0.1～3600s，用戶可根據(jù)實(shí)際需求來確定該值。（4）F21=50，設(shè)置風(fēng)機(jī)上限運(yùn)行頻率為=50Hz。（5）F22=20，設(shè)置風(fēng)機(jī)下限運(yùn)行頻率為=20Hz。（6）F43=4，設(shè)置電機(jī)極數(shù)為4極。（7）F69=1，實(shí)現(xiàn)頻率外控功能的輔助設(shè)置。（8）F73=0，設(shè)置變頻器的FMA輸出為頻率。

4 節(jié)能效果分析

假定某工業(yè)鍋爐使用的風(fēng)機(jī)額定功率為30 kW，全天連續(xù)運(yùn)行，其中每天有12小時(shí)運(yùn)行在90%負(fù)荷狀態(tài)（變頻器帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率以46Hz計(jì)），有12 h運(yùn)行在50%負(fù)荷狀態(tài)（變頻器帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率以20Hz計(jì)），全年運(yùn)行時(shí)間以280天計(jì)算，則變頻器調(diào)速時(shí)全年節(jié)電量為：

kW·h

若按0.5元/度計(jì)算，則每年可節(jié)省電費(fèi)58328.5元?？梢?，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，通常在1年左右就能收回利用變頻器用于風(fēng)機(jī)設(shè)備改造的投入。

5 結(jié)語

在我國(guó)電動(dòng)機(jī)的用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%～70%，而風(fēng)機(jī)的耗能在交流電動(dòng)機(jī)總耗能中占很大的比重[1]。根據(jù)其運(yùn)行特性，變頻調(diào)速是目前最優(yōu)良的一種控制方法。不僅能夠滿足生產(chǎn)工藝進(jìn)步的需要，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，還能節(jié)能降耗，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，有很大的發(fā)展空間。

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[4]成都森蘭.森蘭變頻器使用手冊(cè).