淺析變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

孫建輝

摘 要：風(fēng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往需要根據(jù)生產(chǎn)需要，對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的調(diào)速方式不僅能耗較大，對風(fēng)機(jī)的損耗也較大，不利于設(shè)備壽命的延長。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，其在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要針對變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的分析與闡述。

關(guān)鍵詞：變頻；風(fēng)機(jī)；節(jié)能

1 引言

風(fēng)機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中十分常見的工業(yè)設(shè)備，在煤炭、電力、鋼鐵等諸多行業(yè)內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)的通用設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)能耗中的比重較大，一般來說根據(jù)生產(chǎn)需求，風(fēng)機(jī)經(jīng)常處在全天候的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，并且根據(jù)工況的需要，需要對風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的改變風(fēng)門等調(diào)節(jié)方式，不僅調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)效果不佳，還會(huì)造成不必要的能量損耗。近年來隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們節(jié)能意識的不斷提高，變頻控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中開始得到推廣與應(yīng)用，本文主要針對變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行簡要的分析與闡述。

2 風(fēng)機(jī)調(diào)速方式的簡介

一般來說，風(fēng)機(jī)的調(diào)速主要可以通過改變風(fēng)機(jī)自身輸出特性或者改變外部管網(wǎng)阻力特性來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同，風(fēng)機(jī)調(diào)速方式又可以分為恒速調(diào)節(jié)與變速調(diào)節(jié)兩大類

2.1 風(fēng)機(jī)恒速調(diào)節(jié)

風(fēng)機(jī)恒速調(diào)節(jié)就是在風(fēng)機(jī)調(diào)速過程中，不改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使風(fēng)機(jī)一直處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而是通過改變外部條件實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、風(fēng)壓等條件的調(diào)節(jié)與控制。根據(jù)改變外部條件的不同，風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)既可以通過改變風(fēng)機(jī)的葉片角度，也可以通過改變風(fēng)機(jī)葉片的數(shù)目或?qū)挾?，或者通過改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)門大小來實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)恒速調(diào)節(jié)方式下的風(fēng)速調(diào)節(jié)控制精度較差，且風(fēng)機(jī)一直處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成了能量的不必要浪費(fèi)。

2.2 風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)

風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)就是通過改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，根據(jù)工程需要，既可以選用簡單易行但效率較低的調(diào)速方式以降低前期成本，也可以選用高效復(fù)雜的調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)高效低能耗的風(fēng)機(jī)調(diào)速。一般來說，轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)電阻調(diào)速、電磁調(diào)速等調(diào)速方式在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較為廣泛。與風(fēng)機(jī)恒速調(diào)速相比，變速調(diào)速改變了風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，減少了不必要的能耗，但電阻等元件的引入也增加了不必要的能耗。

3 變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用

3.1 調(diào)速節(jié)能原理簡介

風(fēng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，基于這一原理，當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，對風(fēng)機(jī)輸出功率的需求也隨之發(fā)生變化，因此改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)機(jī)輸出功率有效的調(diào)節(jié)。采用風(fēng)機(jī)恒速調(diào)節(jié)方式時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，此時(shí)風(fēng)機(jī)輸出的功率也保持不變，而是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門對風(fēng)速進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)門減小時(shí)，風(fēng)門的阻力增大，且隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加阻力隨之增大，一方面導(dǎo)致恒速調(diào)節(jié)方式的風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍較小，且控制精度較差，另一方面也造成了大量不必要的能量損失。

根據(jù)流體力學(xué)知識可知，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q、轉(zhuǎn)速n、風(fēng)壓H以及軸功率P之間存在以下數(shù)量關(guān)系：

由上述公式可以看出，當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)所需的風(fēng)量、風(fēng)壓減小事，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速將得到較大增益的風(fēng)速調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)調(diào)速過程中風(fēng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況如圖1所示。

如上圖所示，縱坐標(biāo)H表示風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，橫坐標(biāo)Q表示風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，（1）、（2）曲線表示表示不同風(fēng)門情況下的阻力曲線，N1、N2曲線表示風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的工作特性曲線，風(fēng)機(jī)工作特性曲線與阻力曲線的交點(diǎn)表示風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)點(diǎn)，工作狀態(tài)點(diǎn)與兩坐標(biāo)軸所形成的矩形面積表示風(fēng)機(jī)的功耗。

當(dāng)風(fēng)機(jī)的負(fù)荷減小時(shí)，若采用恒速調(diào)節(jié)方式，需要減小風(fēng)門大小，此時(shí)阻力曲線由（1）變?yōu)椋?），而風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及工作特性曲線不發(fā)生變化，此時(shí)工作狀態(tài)點(diǎn)由C1轉(zhuǎn)移至C2，風(fēng)量Q減小但風(fēng)壓H增大，風(fēng)機(jī)的功耗P幾乎不發(fā)生變化；若采用調(diào)速調(diào)節(jié)方式，需要降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)工作特性曲線由N1變?yōu)镹2，而阻力曲線保持（1）不變，此時(shí)工作狀態(tài)點(diǎn)由C1轉(zhuǎn)移至C2，風(fēng)量Q與風(fēng)壓H均顯著減小，風(fēng)機(jī)功耗P也顯著減小，可見調(diào)速調(diào)節(jié)方式與恒速調(diào)節(jié)方式相比，有著顯著的節(jié)能效果。

3.2 變頻調(diào)速原理簡介

一般來說，異步電機(jī)是風(fēng)機(jī)中應(yīng)用較為廣泛的電機(jī)類型，其轉(zhuǎn)速n與供電頻率f、轉(zhuǎn)差率S以及電機(jī)的極對數(shù)P有如下關(guān)系：

通過上式可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與供電電源的頻率f成正比，因此改變供電電源的頻率即可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制與調(diào)節(jié)。

由于電網(wǎng)頻率是固定不變的，需要使用變頻器實(shí)現(xiàn)對供電電源頻率的調(diào)節(jié)。變頻器是在保證電機(jī)性能不變的前提下，通過改變電機(jī)的供電頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電子設(shè)備。變頻調(diào)速的調(diào)速范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)在0-100%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級變速，同時(shí)控制調(diào)節(jié)精度也更高，控制方式也更加靈活。

變頻器的種類較為豐富，在變頻調(diào)速時(shí)需要根據(jù)實(shí)際的工況需求選擇合適的變頻器，以保證變頻器的安全運(yùn)行與最大節(jié)能效果。一般來說，變頻器的選用具有幾點(diǎn)基本要求：一是變頻器額定容量要大于電動(dòng)機(jī)額定功率與適應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率和，二是變頻器額定電流不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流，三是變頻器的額定電壓不小于電動(dòng)機(jī)的額定電壓。除了以上三條基本要求外，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，選用變頻器時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際工況中的電機(jī)類型、電機(jī)容量以及外部運(yùn)行條件等信息進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)還要考慮變頻器變頻調(diào)速帶來的諧波污染與諧波抑制問題，優(yōu)化選擇最佳的變頻控制器。

3.3 變頻調(diào)速的特點(diǎn)

風(fēng)機(jī)的調(diào)速方式較多，傳統(tǒng)的液力離合器調(diào)速、液力耦合器調(diào)速等調(diào)速方式前期投資成本較低，但轉(zhuǎn)差率較大且效率不高，運(yùn)行可靠性也較差，維護(hù)工作量較大，難以起到滿意的節(jié)能和調(diào)速效果。與其他調(diào)速方式相比，變頻調(diào)速具有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

一是調(diào)速范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0-100%而定轉(zhuǎn)速下的無級變速，調(diào)速的效率較高，且調(diào)速的平滑性較好，風(fēng)機(jī)調(diào)速過程中對風(fēng)機(jī)的損傷較??；

二是調(diào)速精準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定轉(zhuǎn)速的快速精準(zhǔn)調(diào)速；

三是安全性較高，能夠在調(diào)速過程中對風(fēng)機(jī)的電流、電壓等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，避免過流、過壓以及短路等故障的發(fā)生；

四是可靠性較高且控制簡便，控制自動(dòng)化水平較高，不需要進(jìn)行復(fù)雜的操作，且對風(fēng)機(jī)的損傷較小，使用壽命較長；

五是體積小巧，裝配便捷，不需要對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行額外的改造，變頻器的安裝、調(diào)試以及維修工作都較為便捷。

4 結(jié)束語

隨著節(jié)能減排的不斷深化，人們的節(jié)能意識不斷提高，風(fēng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的能耗問題越來越得到人們的重視，變頻調(diào)速技術(shù)作為一種新興的控制技術(shù)，在風(fēng)機(jī)控制中顯示出了較好的調(diào)節(jié)性能與顯著的節(jié)能效果，相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展晚上，變頻節(jié)能技術(shù)必將在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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