研究變頻控制在風(fēng)機(jī)負(fù)載中的應(yīng)用

田郁林

摘 要：在我國的工業(yè)生產(chǎn)中，每年至少有10%的電氣負(fù)荷是各類風(fēng)機(jī)的負(fù)載，對于風(fēng)機(jī)這一類需要對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的交流異步電動機(jī)負(fù)載單元，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)流量的方式對能源的浪費(fèi)和損耗是極為嚴(yán)重的。目前，利用調(diào)壓、電磁或是液力耦合器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)負(fù)載的模式因其消耗的功率過大，效率過低，已被市場所淘汰，目前最為傳統(tǒng)的變級調(diào)速、串級調(diào)速和變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)負(fù)載改造的趨勢和方向，其中，變頻調(diào)節(jié)控制是以改變電動機(jī)的電源頻率進(jìn)而改變電機(jī)磁場使其旋轉(zhuǎn)速度同步改變的方法，耗能大大減小。本文正是通過對風(fēng)機(jī)負(fù)載與風(fēng)量控制的原理和種類進(jìn)行闡述，進(jìn)而深入的探討了變頻控制的技術(shù)優(yōu)勢，以某鍋爐房的引風(fēng)機(jī)機(jī)的改造為實(shí)例，橫縱對比出變頻控制在風(fēng)機(jī)負(fù)載中應(yīng)用的效果，為民用鍋爐房中風(fēng)機(jī)的改造、投資提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)節(jié)；風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制；風(fēng)機(jī)負(fù)載；實(shí)例應(yīng)用

中圖分類號： TD614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）06-184-3

引言

最初人們對風(fēng)機(jī)的調(diào)速依靠的是風(fēng)門的開度，即風(fēng)機(jī)一直處于最大負(fù)載、最高轉(zhuǎn)速，通過對風(fēng)門的開合程度的調(diào)節(jié)才能夠?qū)崿F(xiàn)對對風(fēng)量的控制。這種傳統(tǒng)的控制風(fēng)量的模式顯然具有高耗能的特點(diǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，利用風(fēng)門或風(fēng)量調(diào)節(jié)器這樣的調(diào)節(jié)方式，僅風(fēng)機(jī)就多消耗了三到五成的能量，這一數(shù)據(jù)對于供熱企業(yè)生產(chǎn)來講是極為可怕的。風(fēng)機(jī)的電機(jī)屬于交流電動機(jī)，交流電動機(jī)的特點(diǎn)就是在負(fù)載改變的情況下，可以通過多種方式對其進(jìn)行驅(qū)動的改變和轉(zhuǎn)速的調(diào)整。利用這些方式調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動就大大降低了風(fēng)機(jī)的耗能。

1 風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性

風(fēng)機(jī)負(fù)載在我國的工業(yè)企業(yè)中的耗能是極為巨大的，平均每個企業(yè)每年至少有10%的電氣負(fù)荷是各類風(fēng)機(jī)的負(fù)載，對于風(fēng)機(jī)這一類需要對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的交流異步電動機(jī)負(fù)載單元，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)流量的方式對能源的浪費(fèi)和損耗是極為嚴(yán)重的。目前，利用調(diào)壓、電磁或是液力耦合器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)負(fù)載的模式因其消耗的功率過大，效率過低，已被市場所淘汰，目前最為傳統(tǒng)的變級調(diào)速、串級調(diào)速和變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)負(fù)載改造的趨勢和方向，其中，變頻調(diào)節(jié)控制是以改變電動機(jī)的電源頻率進(jìn)而改變電機(jī)磁場使其旋轉(zhuǎn)速度同步改變的方法，耗能大大減小。

2 風(fēng)機(jī)負(fù)載調(diào)速控制方式

風(fēng)機(jī)的負(fù)載本質(zhì)上是帶動風(fēng)機(jī)運(yùn)行的異步電動機(jī)的負(fù)載，相比調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)外部的流量控制閥和風(fēng)門來講，從本質(zhì)上調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)帶動風(fēng)機(jī)的異步電動機(jī)的速度就顯得更為直接和高效，通常的，調(diào)節(jié)電動機(jī)速度的方法有變級調(diào)速、串級調(diào)速和變頻調(diào)速三種。

2.1 變級調(diào)速

根據(jù)帶動風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=60f（1- S）/p，我們可以明顯地看出，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電動機(jī)的輸入頻率（f）正相關(guān)，與代表電機(jī)磁極對數(shù)的p負(fù)相關(guān)，而電機(jī)轉(zhuǎn)差率S對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響并不很大，因此，若想通過改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速而改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和速度，則主要應(yīng)通過改變電動機(jī)的輸入頻率f或改變電機(jī)的磁極對數(shù)p來實(shí)現(xiàn)。

然而，變級調(diào)速的缺點(diǎn)也是很明顯的，即無法適用于需要進(jìn)行平滑調(diào)速和頻繁調(diào)速的異步電動機(jī)，因此，變級調(diào)速在風(fēng)機(jī)控制中的使用并不常見。

2.2 串級調(diào)速

串級調(diào)速是對變級調(diào)速進(jìn)行了優(yōu)化的一種調(diào)速模式，串級調(diào)速通過在變級調(diào)速的繞線型異步電動機(jī)中串聯(lián)入一個與原電勢頻率一致但電勢相位相反的附加電勢，通過這個附加電勢的串入，就能夠?qū)崿F(xiàn)對異步電動機(jī)的平滑變速和無級變速，不僅保留了變級變速的低耗能、易操作的調(diào)速模式，還實(shí)現(xiàn)了變級調(diào)速無法實(shí)現(xiàn)的平滑無級調(diào)速。但不可忽視的是，串級調(diào)速因其需要有附加電勢來串入才能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的功能，但同時這也將產(chǎn)生高次諧波，對整個電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，適用范圍也十分有限。

2.3 變頻調(diào)速

與變級調(diào)速和串級調(diào)速的調(diào)速原理不同，變頻調(diào)速是以改變異步電動機(jī)輸入端電源的頻率為基本原理而實(shí)現(xiàn)的，由電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f（1-S）/p 可知，改變電動機(jī)的輸入頻率f也可以改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在變頻調(diào)速中，我們采用不同型號的變頻調(diào)節(jié)器將公共頻率為50Hz的電源變換成不同頻率以滿足調(diào)節(jié)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的需要。

根據(jù)變頻調(diào)速的工作原理，我們可以知道，變頻調(diào)速不僅能夠毫不費(fèi)力地實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)速，而且還具有較小的能量損耗；不僅轉(zhuǎn)差率小，調(diào)節(jié)速度的區(qū)間范圍較大大，而且可以實(shí)現(xiàn)較高的調(diào)速精度；不僅能夠在鼠籠型異步電動機(jī)中得到應(yīng)用，還能適用于繞線型異步電動機(jī)和同步電動機(jī)等多種類型的電動機(jī)，適用范圍更加廣泛；尤其因其不需要進(jìn)行變級，其在啟動和制動的相應(yīng)過程中電機(jī)采用變頻啟動、制動模式，又能夠節(jié)約相當(dāng)大一部分能源。

3 風(fēng)機(jī)利用變頻節(jié)能的原理

3.1 調(diào)節(jié)風(fēng)量通過改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行來進(jìn)行

根據(jù)圖1，風(fēng)機(jī)的節(jié)能利用了變頻器控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的原理，通過對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，使得風(fēng)機(jī)所受的空氣動力減小，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)電節(jié)能，同一般的風(fēng)門調(diào)節(jié)控制風(fēng)量的方法相比，變頻控制方法的節(jié)電效果更為明顯。

由圖1我們可以看到，圖中顯示的閥門全開時和閥門關(guān)小時風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n1下的風(fēng)壓一風(fēng)量（H-Q）特性。假設(shè)，在A點(diǎn)時，風(fēng)機(jī)的工作效率最高，而在此時，風(fēng)量為Q1、風(fēng)壓為H1、軸功率N1與Q1、H1的乘積成明顯的正比例關(guān)系；如圖中不規(guī)則圖形AH1OQ1即為其表示。當(dāng)因?yàn)樯a(chǎn)需要，風(fēng)量需要降低時，如圖1所示，風(fēng)量由Q1減至Q2時，采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法相當(dāng)于將管網(wǎng)阻力增加，即整個系統(tǒng)的工作情況由點(diǎn)A調(diào)節(jié)至點(diǎn)B，我們可以看到，B點(diǎn)較A點(diǎn)的風(fēng)壓隨之增加，軸功率與此時風(fēng)量和風(fēng)壓的乘積，即不規(guī)則面積BH2OQ2成正比。在此情況下，軸功率并沒明顯變化。同樣條件下，若利用變頻器對風(fēng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低，則根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，在同樣的將風(fēng)量降低到Q2的情況下，風(fēng)壓則會呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，風(fēng)機(jī)的功率也將隨之降低，節(jié)電節(jié)能的效果可以說是十分顯著。

3.2 風(fēng)機(jī)在不同頻率下的節(jié)能效率

風(fēng)機(jī)，作為將氣體進(jìn)行傳送的機(jī)械設(shè)備，其工作本質(zhì)上的原理是將電動機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)化為風(fēng)這一流體的機(jī)械能。在流體力學(xué)的角度上來看，風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)量和電機(jī)的轉(zhuǎn)速功率程正相關(guān)，即風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速平方成正比，這就意味著，風(fēng)機(jī)的軸功率等于風(fēng)量與風(fēng)壓，故風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的二次方成正比（即風(fēng)機(jī)水泵的軸功率與供電頻率的二次方成正比）。

4 變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)

4.1 變頻調(diào)速控制技術(shù)與變閥調(diào)節(jié)的對比

變閥控制：變閥調(diào)節(jié)顧名思義，就是對風(fēng)機(jī)管道閥門的開合程度來對風(fēng)機(jī)的風(fēng)力、流量和流速進(jìn)行調(diào)節(jié)。變閥調(diào)節(jié)因?yàn)楦淖兊氖秋L(fēng)機(jī)外部的流量調(diào)節(jié)閥的開合程度，故而對風(fēng)機(jī)自身的能耗和功率并不產(chǎn)生影響，但卻對風(fēng)機(jī)氣流對風(fēng)機(jī)閥門及風(fēng)機(jī)管道的阻力和壓力產(chǎn)生影響，需要頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度時，對風(fēng)機(jī)閥門的更換頻率要求是非常高的，不然則無法很好地滿足工作需要的風(fēng)力的準(zhǔn)確度和靈敏度。

變閥控制通過調(diào)節(jié)閥門的開合程度來調(diào)節(jié)不同的風(fēng)量，這一方式有著明顯的不足：其一，電機(jī)及風(fēng)機(jī)需要滿載運(yùn)行，轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷重、浪費(fèi)嚴(yán)重；其二，變閥調(diào)節(jié)無法進(jìn)行精準(zhǔn)控制；其三，電機(jī)啟動、制動時需要的功率較大，對整個電網(wǎng)的沖擊較大，對電網(wǎng)的要求較高；其四，變閥控制對機(jī)械的沖擊和磨損都較大，設(shè)備需要經(jīng)常更換；其五，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時，無法對其進(jìn)行保護(hù)。

變頻控制：變頻調(diào)節(jié)控制速度技術(shù)是比較理想的一種調(diào)節(jié)方法，因?yàn)樽兯僬{(diào)節(jié)中沒有附加阻力。通過變頻器改變電源的工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的無級調(diào)速。對風(fēng)機(jī)采用變速調(diào)節(jié)時，其效率基本不變，不但可以減輕磨損，降低風(fēng)機(jī)的噪聲，延長使用壽命，還能實(shí)現(xiàn)大的電動機(jī)的軟停、軟啟，避免了啟動時的沖擊，減少電動機(jī)故障率，延長使用壽命，同時也降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。

4.2 變頻調(diào)速控制技術(shù)與串級調(diào)速的對比

變頻調(diào)速所需要的有功功率和機(jī)械串級相當(dāng)，但在相同的負(fù)載條件下，由于機(jī)械串級比變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)子電流要小，因此，機(jī)械串級的定子電流也就小一些。而變頻裝置本身損耗的大小，則是決定它與機(jī)械串級調(diào)速相比是否節(jié)能的關(guān)鍵條件。

變頻調(diào)速所需無功功率的特點(diǎn)是在頻率高和頻率低的兩頭時無功功率高，而機(jī)械串級的無功功率變化較平穩(wěn)，兩種方法的平均值則相當(dāng)?？梢赃@樣說，電流型的變頻器具有在高頻高壓下的高功率，而在低頻低壓時，其功率就要弱化。

4.3 變頻調(diào)速控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

首先，變頻調(diào)速可用于鼠籠型異步機(jī)的無級高效調(diào)速，而機(jī)械串級調(diào)速則不能用于鼠籠型異步機(jī)的調(diào)速；其次，由上文可知，變頻調(diào)速能夠有效地應(yīng)對轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍廣的需求。

但就目前的情況來講，變頻調(diào)速控制技術(shù)還不足夠成熟，其可靠性還不足以滿足全面的推廣，一些相關(guān)的元器件的標(biāo)準(zhǔn)還沒有制定出來，一些相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)以及維護(hù)工藝還有待完善。

5 變頻控制在風(fēng)機(jī)負(fù)載中的應(yīng)用實(shí)例

本文在鍋爐房引風(fēng)機(jī)做了系統(tǒng)的研究和分析后，提出了鍋爐房風(fēng)機(jī)負(fù)載的變頻改造計劃，整個過程實(shí)例如下：

5.1 改造風(fēng)機(jī)設(shè)備簡介

擬定改造的風(fēng)機(jī)為××鍋爐房所配備的2臺引風(fēng)機(jī)，改造前的2臺引風(fēng)機(jī)組的異步電動機(jī)采用的是變級調(diào)速模式。

這兩臺引風(fēng)機(jī)在2014年已經(jīng)進(jìn)行了一次改造，當(dāng)時的改造將原有的變級調(diào)速模式改為了串級調(diào)速模式，自改變后算起，平均每年已為供熱企業(yè)節(jié)約了30余萬度電，大大降低了能耗比。

但自從改造至今，引風(fēng)機(jī)的內(nèi)部元件出現(xiàn)了8次較為嚴(yán)重的損壞或燒毀的現(xiàn)象，為生產(chǎn)造成了極大的不便和重大的經(jīng)濟(jì)損失，在最近的一次風(fēng)機(jī)電容短路事件中，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)百萬余元。

5.2 風(fēng)機(jī)變頻改造情況

在本次改造計劃中，將原有的串級調(diào)速裝置以變頻裝置來取代。同時，將原有的繞線式電動機(jī)以異步電機(jī)作為替換，還采取加裝旁路柜的方式來提高整個系統(tǒng)的可靠程度。

5.3 風(fēng)機(jī)改造后效果分析

筆者對風(fēng)機(jī)改造后的效果總結(jié)如下：

其一，改動后風(fēng)機(jī)起動停止平衡，實(shí)現(xiàn)了無級調(diào)速，且調(diào)速范圍有效擴(kuò)大；

其二，改動后的風(fēng)機(jī)工作可靠，能長期穩(wěn)定運(yùn)行；

其三，改動后的風(fēng)機(jī)操作起來更加簡單，維護(hù)量也大大減??；

其四，改動后風(fēng)機(jī)的輸出特性可滿足風(fēng)機(jī)性能要求；

其五，改動后的風(fēng)機(jī)節(jié)能效果顯著，通過筆者的粗略計算，風(fēng)機(jī)改造所進(jìn)行的設(shè)備投資在三年內(nèi)僅通過節(jié)能效益即可得到有效回收。

6 結(jié)論

綜上所述，采用變頻調(diào)速控制調(diào)速方式具有調(diào)節(jié)范圍寬、線性程度好、設(shè)備能耗低、運(yùn)行效率高以及運(yùn)行精度高的優(yōu)勢和特點(diǎn)，目前已經(jīng)在全國范圍內(nèi)的多家電力、冶金以及化工類企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，就目前的使用情況來看，無一不取得了較為明顯的收效。對風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻改造，不僅可以避免啟動和制動對電機(jī)的磨損和沖擊，還能夠有效地減輕系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，有效減少設(shè)備故障，降低維修費(fèi)用，延長設(shè)備使用時間。在節(jié)點(diǎn)節(jié)能方面的收效更是顯而易見。

同時，我們也要看到變頻調(diào)速控制技術(shù)巨大的使用前景，隨著變頻控制技術(shù)和相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)的日益成熟，變頻機(jī)組的成本將隨之降低，投資回報期也將隨之進(jìn)一步縮短。而且，變頻調(diào)速控制技術(shù)不僅僅能夠適用于風(fēng)機(jī)的改造，對其他需要控制流量和流速的以電動機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)械系統(tǒng)如水泵等也能夠運(yùn)用相同的原理進(jìn)行改造。大力發(fā)展和推進(jìn)變頻調(diào)速控制技術(shù)，既是國家節(jié)能減排的要求，也是企業(yè)降低成本，走向現(xiàn)代化生產(chǎn)的必經(jīng)之路。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊志勇，趙爭.三電平變頻器在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用[J].2004年世界工程師大會電力和能源分會場技術(shù)論壇論文集[C].北京：中國電機(jī)工程學(xué)會，2004：167-169.

[2] 李國臣.變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)、泵類應(yīng)用中的節(jié)能分析[J].2007年中小高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會論文集[C].北京：中國金屬學(xué)會煉鐵分會中小高爐學(xué)術(shù)委員會，2007：67-69.

[3] 王衛(wèi)宏，閻春林.風(fēng)機(jī)變頻器改造的節(jié)能預(yù)算方法與實(shí)踐[J].中國電力，2006（09）：79-82.

[4] 蘆新茹.風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載節(jié)能分析[J].電氣時代，2006（05）.

[5] 陳寧.變頻器在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載中的節(jié)能應(yīng)用[J].甘肅冶金，2005（04）.

[6] 王越明.風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載節(jié)能應(yīng)用研究[J].黑龍江水利科技，2004（02）.

[7] 徐民.變頻器在泵類負(fù)載中的節(jié)能應(yīng)用[J].科技資訊，2012（19）.

[8] 楊斌文.風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的節(jié)能探討[J].電工技術(shù)，1996（11）.