研究變頻控制在風機負載中的應用

田郁林

摘 要：在我國的工業生產中，每年至少有10%的電氣負荷是各類風機的負載，對于風機這一類需要對流量進行調節和控制的交流異步電動機負載單元，傳統的調節流量的方式對能源的浪費和損耗是極為嚴重的。目前，利用調壓、電磁或是液力耦合器對風機進行調速的調節風機負載的模式因其消耗的功率過大，效率過低，已被市場所淘汰，目前最為傳統的變級調速、串級調速和變頻調速是風機負載改造的趨勢和方向，其中，變頻調節控制是以改變電動機的電源頻率進而改變電機磁場使其旋轉速度同步改變的方法，耗能大大減小。本文正是通過對風機負載與風量控制的原理和種類進行闡述，進而深入的探討了變頻控制的技術優勢，以某鍋爐房的引風機機的改造為實例，橫縱對比出變頻控制在風機負載中應用的效果，為民用鍋爐房中風機的改造、投資提供參考借鑒。

關鍵詞：變頻調節；風機風量控制；風機負載；實例應用

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

引言

最初人們對風機的調速依靠的是風門的開度，即風機一直處于最大負載、最高轉速，通過對風門的開合程度的調節才能夠實現對對風量的控制。這種傳統的控制風量的模式顯然具有高耗能的特點，據不完全統計，利用風門或風量調節器這樣的調節方式，僅風機就多消耗了三到五成的能量，這一數據對于供熱企業生產來講是極為可怕的。風機的電機屬于交流電動機，交流電動機的特點就是在負載改變的情況下，可以通過多種方式對其進行驅動的改變和轉速的調整。利用這些方式調節風機的轉速和驅動就大大降低了風機的耗能。

1 風機類負載特性

風機負載在我國的工業企業中的耗能是極為巨大的，平均每個企業每年至少有10%的電氣負荷是各類風機的負載，對于風機這一類需要對流量進行調節和控制的交流異步電動機負載單元，傳統的調節流量的方式對能源的浪費和損耗是極為嚴重的。目前，利用調壓、電磁或是液力耦合器對風機進行調速的調節風機負載的模式因其消耗的功率過大，效率過低，已被市場所淘汰，目前最為傳統的變級調速、串級調速和變頻調速是風機負載改造的趨勢和方向，其中，變頻調節控制是以改變電動機的電源頻率進而改變電機磁場使其旋轉速度同步改變的方法，耗能大大減小。

2 風機負載調速控制方式

風機的負載本質上是帶動風機運行的異步電動機的負載，相比調節風機外部的流量控制閥和風門來講，從本質上調節風機電動機的轉速，即調節帶動風機的異步電動機的速度就顯得更為直接和高效，通常的，調節電動機速度的方法有變級調速、串級調速和變頻調速三種。

2.1 變級調速

根據帶動風機運轉的異步電動機的轉速公式：n=60f（1- S）/p，我們可以明顯地看出，異步電動機的轉速n與電動機的輸入頻率（f）正相關，與代表電機磁極對數的p負相關，而電機轉差率S對電動機轉速的影響并不很大，因此，若想通過改變異步電動機的轉速而改變風機的運轉頻率和速度，則主要應通過改變電動機的輸入頻率f或改變電機的磁極對數p來實現。

然而，變級調速的缺點也是很明顯的，即無法適用于需要進行平滑調速和頻繁調速的異步電動機，因此，變級調速在風機控制中的使用并不常見。

2.2 串級調速

串級調速是對變級調速進行了優化的一種調速模式，串級調速通過在變級調速的繞線型異步電動機中串聯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，就能夠實現對異步電動機的平滑變速和無級變速，不僅保留了變級變速的低耗能、易操作的調速模式，還實現了變級調速無法實現的平滑無級調速。但不可忽視的是，串級調速因其需要有附加電勢來串入才能實現調速的功能，但同時這也將產生高次諧波，對整個電網產生諧波污染，適用范圍也十分有限。

2.3 變頻調速

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

根據變頻調速的工作原理，我們可以知道，變頻調速不僅能夠毫不費力地實現平滑無級調速，而且還具有較小的能量損耗；不僅轉差率小，調節速度的區間范圍較大大，而且可以實現較高的調速精度；不僅能夠在鼠籠型異步電動機中得到應用，還能適用于繞線型異步電動機和同步電動機等多種類型的電動機，適用范圍更加廣泛；尤其因其不需要進行變級，其在啟動和制動的相應過程中電機采用變頻啟動、制動模式，又能夠節約相當大一部分能源。

3 風機利用變頻節能的原理

3.1 調節風量通過改變風機運行來進行

根據圖1，風機的節能利用了變頻器控制風機運行頻率的原理，通過對風機進行變頻控制，使得風機所受的空氣動力減小，從而實現節電節能，同一般的風門調節控制風量的方法相比，變頻控制方法的節電效果更為明顯。

由圖1我們可以看到，圖中顯示的閥門全開時和閥門關小時風機在恒定轉速n1下的風壓一風量（H-Q）特性。假設，在A點時，風機的工作效率最高，而在此時，風量為Q1、風壓為H1、軸功率N1與Q1、H1的乘積成明顯的正比例關系；如圖中不規則圖形AH1OQ1即為其表示。當因為生產需要，風量需要降低時，如圖1所示，風量由Q1減至Q2時，采用調節風門的方法相當于將管網阻力增加，即整個系統的工作情況由點A調節至點B，我們可以看到，B點較A點的風壓隨之增加，軸功率與此時風量和風壓的乘積，即不規則面積BH2OQ2成正比。在此情況下，軸功率并沒明顯變化。同樣條件下，若利用變頻器對風機的速度進行調節，將風機的轉速適當降低，則根據風機參數的比例定律，在同樣的將風量降低到Q2的情況下，風壓則會呈現明顯的下降趨勢，風機的功率也將隨之降低，節電節能的效果可以說是十分顯著。

3.2 風機在不同頻率下的節能效率

風機，作為將氣體進行傳送的機械設備，其工作本質上的原理是將電動機的軸功率轉化為風這一流體的機械能。在流體力學的角度上來看，風機所產生的風量和電機的轉速功率程正相關，即風機的風量與風機（電機）的轉速成正比，風機的風壓與風機（電機）的轉速平方成正比，這就意味著，風機的軸功率等于風量與風壓，故風機的軸功率與風機（電機）的轉速的二次方成正比（即風機水泵的軸功率與供電頻率的二次方成正比）。

4 變頻調速優點

4.1 變頻調速控制技術與變閥調節的對比

變閥控制：變閥調節顧名思義，就是對風機管道閥門的開合程度來對風機的風力、流量和流速進行調節。變閥調節因為改變的是風機外部的流量調節閥的開合程度，故而對風機自身的能耗和功率并不產生影響，但卻對風機氣流對風機閥門及風機管道的阻力和壓力產生影響，需要頻繁調節風機速度時，對風機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力的準確度和靈敏度。

變閥控制通過調節閥門的開合程度來調節不同的風量，這一方式有著明顯的不足：其一，電機及風機需要滿載運行，轉速高、負荷重、浪費嚴重；其二，變閥調節無法進行精準控制；其三，電機啟動、制動時需要的功率較大，對整個電網的沖擊較大，對電網的要求較高；其四，變閥控制對機械的沖擊和磨損都較大，設備需要經常更換；其五，當電機出現故障時，無法對其進行保護。

變頻控制：變頻調節控制速度技術是比較理想的一種調節方法，因為變速調節中沒有附加阻力。通過變頻器改變電源的工作頻率，從而實現對交流電機的無級調速。對風機采用變速調節時，其效率基本不變，不但可以減輕磨損，降低風機的噪聲，延長使用壽命，還能實現大的電動機的軟停、軟啟，避免了啟動時的沖擊，減少電動機故障率，延長使用壽命，同時也降低了對電網的容量要求和無功損耗。

4.2 變頻調速控制技術與串級調速的對比

變頻調速所需要的有功功率和機械串級相當，但在相同的負載條件下，由于機械串級比變頻調速的轉子電流要小，因此，機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，則是決定它與機械串級調速相比是否節能的關鍵條件。

變頻調速所需無功功率的特點是在頻率高和頻率低的兩頭時無功功率高，而機械串級的無功功率變化較平穩，兩種方法的平均值則相當。可以這樣說，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 變頻調速控制技術的優點

首先，變頻調速可用于鼠籠型異步機的無級高效調速，而機械串級調速則不能用于鼠籠型異步機的調速；其次，由上文可知，變頻調速能夠有效地應對轉速高、調速范圍廣的需求。

但就目前的情況來講，變頻調速控制技術還不足夠成熟，其可靠性還不足以滿足全面的推廣，一些相關的元器件的標準還沒有制定出來，一些相關的技術經驗以及維護工藝還有待完善。

5 變頻控制在風機負載中的應用實例

本文在鍋爐房引風機做了系統的研究和分析后，提出了鍋爐房風機負載的變頻改造計劃，整個過程實例如下：

5.1 改造風機設備簡介

擬定改造的風機為××鍋爐房所配備的2臺引風機，改造前的2臺引風機組的異步電動機采用的是變級調速模式。

這兩臺引風機在2014年已經進行了一次改造，當時的改造將原有的變級調速模式改為了串級調速模式，自改變后算起，平均每年已為供熱企業節約了30余萬度電，大大降低了能耗比。

但自從改造至今，引風機的內部元件出現了8次較為嚴重的損壞或燒毀的現象，為生產造成了極大的不便和重大的經濟損失，在最近的一次風機電容短路事件中，造成的直接經濟損失就達百萬余元。

5.2 風機變頻改造情況

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

5.3 風機改造后效果分析

筆者對風機改造后的效果總結如下：

其一，改動后風機起動停止平衡，實現了無級調速，且調速范圍有效擴大；

其二，改動后的風機工作可靠，能長期穩定運行；

其三，改動后的風機操作起來更加簡單，維護量也大大減小；

其四，改動后風機的輸出特性可滿足風機性能要求；

其五，改動后的風機節能效果顯著，通過筆者的粗略計算，風機改造所進行的設備投資在三年內僅通過節能效益即可得到有效回收。

6 結論

綜上所述，采用變頻調速控制調速方式具有調節范圍寬、線性程度好、設備能耗低、運行效率高以及運行精度高的優勢和特點，目前已經在全國范圍內的多家電力、冶金以及化工類企業得到了廣泛的應用，就目前的使用情況來看，無一不取得了較為明顯的收效。對風機實施變頻改造，不僅可以避免啟動和制動對電機的磨損和沖擊，還能夠有效地減輕系統的運轉壓力，有效減少設備故障，降低維修費用，延長設備使用時間。在節點節能方面的收效更是顯而易見。

同時，我們也要看到變頻調速控制技術巨大的使用前景，隨著變頻控制技術和相關設備生產的日益成熟，變頻機組的成本將隨之降低，投資回報期也將隨之進一步縮短。而且，變頻調速控制技術不僅僅能夠適用于風機的改造，對其他需要控制流量和流速的以電動機為基礎的機械系統如水泵等也能夠運用相同的原理進行改造。大力發展和推進變頻調速控制技術，既是國家節能減排的要求，也是企業降低成本，走向現代化生產的必經之路。

參 考 文 獻

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