變頻器調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用

張靜宇（北京埃頓酒店服務(wù)有限公司沈陽分公司,沈陽　110024）

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變頻器調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用

張靜宇
（北京埃頓酒店服務(wù)有限公司沈陽分公司,沈陽110024）

摘 要：隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,現(xiàn)已成為各企業(yè)中不可缺少的電氣自動化設(shè)備之一,變頻器以其自身獨特的優(yōu)勢，在工業(yè)廠礦中得到廣泛應(yīng)用。變頻器調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的節(jié)能應(yīng)用也同樣被關(guān)注，要想使得變頻器調(diào)速技術(shù)能夠發(fā)揮其重要的作用，需要對變頻器調(diào)速原理及特點進(jìn)行了解?；诒疚木妥冾l器調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的節(jié)能應(yīng)用進(jìn)行分析，并提出提升風(fēng)機(jī)使用性能的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：變頻器；風(fēng)機(jī)；應(yīng)用

0　前言

在當(dāng)前能源日益緊張的情況下，針對玻璃企業(yè)中的鋼化爐風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能應(yīng)用,將電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)用于風(fēng)機(jī)的風(fēng)量控制，用調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法，取代傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)恒速運行、依靠閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法，節(jié)能效果十分顯著。本文以一臺離心式風(fēng)機(jī)功率為250kW的為例，介紹丹佛斯變頻器對風(fēng)機(jī)調(diào)速的節(jié)能應(yīng)用。

1　變頻調(diào)速原理

根據(jù)三相異步電動機(jī)的原理，三相異步電動機(jī)的軸轉(zhuǎn)速與供電電源的頻率之間有如下關(guān)系：

n=60f （1-s）/p

式中

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速

f——電源頻率

s——轉(zhuǎn)差率

p——電機(jī)極對數(shù)

考慮到轉(zhuǎn)差率s一般<1，所以當(dāng)電機(jī)的極對數(shù)一定時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)供電電源的頻率成正比關(guān)系，因此可以通過調(diào)整供電電源的頻率來控制三相異步電動機(jī)的軸轉(zhuǎn)速。

2　負(fù)載類型

在實際的生產(chǎn)機(jī)械中，電動機(jī)的負(fù)載種類千差萬別，但我們可以將這些負(fù)載種類歸結(jié)到平方轉(zhuǎn)矩﹑恒轉(zhuǎn)矩、恒功率等幾類特性。而平方轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性占了全部負(fù)載中的絕大多數(shù)，我們只討論這兩種負(fù)載。

3　平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載

平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性為：電機(jī)的軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的3次方成正比關(guān)系，即

N=（nne）3Ne

式中ne、Ne—風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定軸功率

n、N —風(fēng)機(jī)運行時的轉(zhuǎn)速和功率

4　恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，電機(jī)的軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，即 N=Kn。

式中n--三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速

N--三相異步電機(jī)運行在n轉(zhuǎn)速的軸功率

k--傳動系數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時，k為常數(shù)

4.1平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載節(jié)能原理

典型的平方轉(zhuǎn)矩類型負(fù)載是風(fēng)機(jī)和水泵。從流體力學(xué)的原理來說，風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)量或水泵輸出的水流量∝風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)壓或水泵輸出的揚程∝風(fēng)機(jī)或水泵轉(zhuǎn)速的2次方，風(fēng)機(jī)或水泵的軸功率∝風(fēng)機(jī)或水泵轉(zhuǎn)速的3次方。

因此若轉(zhuǎn)速下降20%，則功率可下降48.8% ；若轉(zhuǎn)速下降50%，則軸功率可下降87.5% 即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)能也是相當(dāng)可觀的。

4.2恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載節(jié)能原理

對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載有 NL=TL* n/9550

式中NL--負(fù)載軸功率

TL--負(fù)載轉(zhuǎn)矩

n--負(fù)載轉(zhuǎn)速

由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，所以軸功率和負(fù)載轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化不影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量時，應(yīng)盡可能的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的。

5　變頻調(diào)速技術(shù)在工藝風(fēng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用

某玻璃生產(chǎn)廠生產(chǎn)鋼化玻璃時，須將普通玻璃經(jīng)過鋼化爐處理后形成鋼化玻璃。鋼化爐有加熱爐、冷卻段和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)組成。鋼化玻璃工序工藝流程見圖1。

圖1　鋼化玻璃工序工藝流程

經(jīng)過磨邊處理的玻璃片從上片臺進(jìn)入到加熱爐內(nèi)，被加熱到600-700℃左右，達(dá)到軟化狀態(tài)，然后進(jìn)入鋼化冷卻段。鋼化冷卻段由滾道和風(fēng)柵組成，滾道將軟化狀態(tài)的玻璃送入到風(fēng)柵區(qū)，依靠冷卻風(fēng)機(jī)吹風(fēng)急劇冷卻，在玻璃表面和內(nèi)部形成溫度梯度，玻璃表面會形成巨大的壓應(yīng)力，達(dá)到玻璃鋼化的目的。之后已鋼化的玻璃繼續(xù)在風(fēng)柵內(nèi)被冷卻到50℃左右后，送出到下片臺，然后從下片臺將鋼化成形后的玻璃取片。

實際上玻璃鋼化的時間非常短，大概只有10s左右，其余時間主要是用來冷卻和待機(jī)。在鋼化成形時，由于要在玻璃表面形成巨大的溫度梯度，因此必須要用大量的空氣來冷卻，但在冷卻段和待機(jī)段，則不需要那么多的風(fēng)量。另外，玻璃的厚度不同，其所需風(fēng)量也不同，玻璃越薄，冷卻風(fēng)量需要越大， 生產(chǎn)到厚玻璃時，所需要的鋼化冷卻風(fēng)量也隨之減少，為了滿足最惡劣的工況，所以風(fēng)機(jī)的功率配置很高，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口上的風(fēng)門來滿足不同的工藝需求。

傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法是阻擋風(fēng)機(jī)入口的面積，使風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量減小，以達(dá)到減小風(fēng)量的目的。這時風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)量的關(guān)系可以由圖1中曲線1表示，而用調(diào)速方式來減小流量時，風(fēng)機(jī)的軸功率和風(fēng)量的關(guān)系可以由圖1中的曲線2表示，中間部分就是這兩者之間的節(jié)能量。從圖1可以看出，在風(fēng)量需求較小時，其節(jié)能量是很大的。當(dāng)風(fēng)量需求減少20%時，節(jié)能率約為36.16%，當(dāng)風(fēng)量需求減少30%時，節(jié)能率約為52.33%，當(dāng)風(fēng)量需求減少50%時，節(jié)能率約為78.72%（圖2）。

該系統(tǒng)風(fēng)機(jī)是由一臺250kW、4極、380V的三相異步電機(jī)驅(qū)動，原先工作風(fēng)量是根據(jù)加工玻璃的厚度，設(shè)定輸入風(fēng)門的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。根據(jù)上述工況，采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，變頻器選用丹佛斯FC360型產(chǎn)品。改造后，根據(jù)加工玻璃的厚度，設(shè)定變頻器的輸出頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的目的。表1是改造前后年用電量對比。

圖2　風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)量的關(guān)系

根據(jù)表1 可知，每臺風(fēng)機(jī)可年節(jié)約48.6102萬Kwh電能，折合標(biāo)煤145.83噸/年，折合電費35.9715萬元/年。

表1　玻璃鋼化爐年用電節(jié)能對比

6　變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用需注意的幾點

（1）因變頻器運行時產(chǎn)生高次諧波，會對電機(jī)及周圍設(shè)備產(chǎn)生干擾，所以一定要加裝濾波設(shè)備，防止設(shè)備出現(xiàn)意外情況; （2）運行信號干擾。變頻器的輸入信號很小，對干擾很敏感，一旦輸入信號存在較大干擾，將會出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)、發(fā)熱等一系列問題。所以安裝時一定要加裝獨立的屏蔽線，方可避免此類問題;（3）環(huán)境的影響。如果變頻器集中安裝于室內(nèi)，要注意環(huán)境溫度的變化及變頻器溫度的變化，必要時進(jìn)行強制通風(fēng)或用空調(diào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，以降低環(huán)境溫度對變頻器的影響。否則就會減少其使用壽命;（4）要充分考慮風(fēng)機(jī)的運行情況，如運行參數(shù)穩(wěn)定，基本全速運行，不需要調(diào)速，則不要用變頻器。另外調(diào)速范圍也要注意，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于40%～50%時，采用變頻設(shè)備效率將明顯降低，一般控制在50%～70%。

7　結(jié)束語

在鋼化爐風(fēng)機(jī)設(shè)備中應(yīng)用變頻器調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造后，風(fēng)機(jī)的用電量大幅度下降，節(jié)能效果非常顯著，同時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，降低了機(jī)械磨損，減少了風(fēng)機(jī)的故障率和提高了風(fēng)機(jī)的使用壽命，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：張靜宇（1980-），男，吉林雙遼人，中級工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.059