離心式引風機用變頻調(diào)速技術的節(jié)能分析

高 君

（山西平舒煤業(yè)有限責任公司， 山西 晉中 045400）

引言

離心式引風機是重要的生產(chǎn)設備，用于向作業(yè)系統(tǒng)提供足夠的高壓風。傳統(tǒng)的離心式引風機主要是通過風門調(diào)解風量，容易出現(xiàn)風門卡死等故障，生產(chǎn)效率低下，且產(chǎn)生巨大的電能消耗。變頻調(diào)速技術的出現(xiàn)，有效解決了這一難題，應給予廣泛關注和應用。

1 在離心式引風機中應用變頻調(diào)節(jié)節(jié)能技術的必要性

在變頻調(diào)節(jié)中，變頻器是關鍵，它合理地應用于微電子技術以及變頻技術，并對電機工作頻率進行實時監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)電機工作時的頻率出現(xiàn)問題，應及時調(diào)整，以此來更好地對電動機以及相關電力設備進行控制。基于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，在各項生產(chǎn)中要求實現(xiàn)節(jié)能設計。以電解槽供料系統(tǒng)為例，在作業(yè)過程中需要啟用36臺離心式引風機進行高壓風供給。產(chǎn)生大量的能源消耗，如果能夠在離心式引風機中實現(xiàn)變頻控制將能夠很好地節(jié)約能源，具有極大的改造價值，對產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和核心競爭力的提升有重要意義[1]。

2 變頻調(diào)節(jié)技術的工作原理

變頻調(diào)節(jié)技術中變頻器是核心。變頻器主要由整流、逆變以及單元檢測幾個環(huán)節(jié)構成，通過對電源頻率的合理調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)對電壓具體數(shù)值的更改，達到節(jié)能環(huán)保的目的。在風機與泵類進行系統(tǒng)工作時，變頻調(diào)速起到了極為明顯的作用。這也是我國環(huán)保部門極力推薦變頻調(diào)速在鼓風機中運用的主要原因。對于交流電機的轉(zhuǎn)速n而言，其公式為

其中：np為極對數(shù)，f為定子供電頻率，s為轉(zhuǎn)速差。

通過公式（1）可以表明，三相交流電動機轉(zhuǎn)矩是決定變頻調(diào)速的主要指標。要控制電機的轉(zhuǎn)速，需對兩個參數(shù)進行控制，一方面要對供電頻率進行有效調(diào)節(jié)，另一方面要對供電電壓進行有效調(diào)節(jié)。只有雙管齊下，才能有效保證變頻調(diào)速可以正常有序地運行在電動機的工作中。測試功率為16 kW的風機，對其進風量和轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，并測定實際數(shù)據(jù)（見表1、表 2）[2]。

表1 風量變量下測試數(shù)據(jù)

表2 轉(zhuǎn)速變量下測試數(shù)據(jù)

3 變頻調(diào)節(jié)技術與負載的關系

3.1 恒轉(zhuǎn)矩類負載的節(jié)能分析

空氣、介質(zhì)對機械的阻力和轉(zhuǎn)速的關系如公式（2）所示：

式中：k代表比例系數(shù)。風機上軸承形成摩擦力矩，具有反抗性復雜，外加力矩需要對這一反抗性復雜進行克服從而實現(xiàn)風機轉(zhuǎn)動。那么在實際工作條件下風機的負載轉(zhuǎn)矩公式為：

式中：M代表負載轉(zhuǎn)矩，m為摩擦力矩。那么在假設電動機的輸入功率與裝置的軸功率相等的條件下，排除風機裝置功效的影響，風機的定速運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁空{(diào)解轉(zhuǎn)速就可以實現(xiàn)風機運轉(zhuǎn)節(jié)能的需求。

3.2 離心式風機負載節(jié)能的分析

根據(jù)過往的工作數(shù)據(jù)，參考風機功率曲線，可以發(fā)現(xiàn)風機特性公式：

式中：Pw為風機電動機軸功率，Q為風機流量，p為風壓。

與此同時，對于節(jié)能原理來講，設定電動機的轉(zhuǎn)速分別為 n1、n2，對應的流量分別為 Q1、Q2。則可獲得對應公式：

進行具體數(shù)值帶入可知，當轉(zhuǎn)速比原轉(zhuǎn)速降低了10%，功率比原來下降了30%。根據(jù)公式能耗W=Pt。那么設定做功時間均為t，可得出：

也就是說對于風量較大的風機采用變頻調(diào)解替代風門進行風量調(diào)節(jié)將能夠有效實現(xiàn)變頻節(jié)能。

4 基于變頻調(diào)節(jié)技術的離心式引風機的優(yōu)化改造

圖1為現(xiàn)用離心式引風機的結(jié)構。根據(jù)上述變頻調(diào)節(jié)的原理來看，風機改造無需進行全面改造，僅需要在風機電動機上增加調(diào)速裝置，實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)[3]。

圖1 離心引風機結(jié)構示意圖

其具體的工作原理就是將溜槽的實際風壓經(jīng)反饋后送入比較器與給定電壓進行比較。當存在風壓不足時，利用PID的參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)電壓上升，進而使VVVF的頻率增加，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，從而加大引風機的風量高攻擊，情況相反時，則降低電壓，減少風量，從而保持恒壓供風的穩(wěn)定性。設計壓力傳感器對管道壓力進行測算。當需求流量下降后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量的能源。具體控制流程如圖2所示。

在了解了變頻器的具體原理后，需要對變頻器進行合理選型，才能保證變頻調(diào)解效果達到最優(yōu)化。根據(jù)經(jīng)驗公式：

式中：P為機械要求輸出功率，kW；n為機械轉(zhuǎn)速；T為機械最大轉(zhuǎn)矩。

那么根據(jù)公式（9）可知，為了達到良好的變頻效果，必須滿足以下條件：變頻器的額定電流A及輸出功率P變應稍大于電機的額定電流A1及P電。

5 變頻調(diào)節(jié)技術在離心式引風機的節(jié)能效果分析

圖2 風機變頻調(diào)節(jié)的具體控制流程

對某應用了變頻調(diào)節(jié)技術的離心式引風機進行實測效果分析，按照引風機實際工作電流44 A計算，年運轉(zhuǎn)周期為360天的境況下，調(diào)速范圍控制在30～50 Hz之間，平均可節(jié)約電能超過250 000 kWh，根據(jù)按照電價0.25元/kWh來計算，平均每臺風機年節(jié)約電費62 000元以上。根據(jù)公式W=Pt進行計算，現(xiàn)有的調(diào)解控制方式較原有的控制方法節(jié)約電能10%～15%，滿足節(jié)能需求，符合綠色生產(chǎn)的理念。

6 結(jié)論

1）使用變頻調(diào)節(jié)技術后，電力節(jié)約效果明顯，有利于生產(chǎn)作業(yè)中資金和能源的優(yōu)化配置，同時體現(xiàn)了自動化控制的優(yōu)越性。

2）通過變頻器進行控制能夠?qū)崿F(xiàn)設備的平滑啟動，減少反復啟停過程中的機械設備磨損，從而降低了設備的維修概率，同時避免了長時間停機對生產(chǎn)效率和質(zhì)量的影響。

3）通過變頻調(diào)節(jié)，有效克服了傳統(tǒng)風門調(diào)節(jié)過程中擋板、調(diào)解閥卡死或磨損的問題。

4）除了在離心式引風機上進行應用外，該項技術還可以對多種流量調(diào)節(jié)設備進行應用，促進各產(chǎn)業(yè)走向節(jié)能發(fā)展。