對旋風機電動機變極調速控制與節能分析

孫曉波 孟大偉 楊小妮

摘?要：針對對旋風機大流量運行時后級電機輕載運行效率過低，而小流量運行時后級電機功率增大甚至過載的問題，采用電動機變極調速的方法，仿真分析獲得各轉速配合的風機及葉輪的全壓升、效率和軸功率特性，給出高效率運行范圍。采用對稱軸線法設計一款單繞組雙速三相異步電動機，其基波繞組系數在6極時為0.925，8極時為0.945，其額定效率在6極時為89.0%，8極時為90.7%，性能指標滿足風機葉輪驅動要求。最后，分析對旋風機電動機變極調速節能原理，給出相應的控制方法。該方法控制簡單，不明顯增加投入，最高可節能50%以上。

關鍵詞：對旋風機;單繞組雙速異步電動機;繞組設計;變極調速;高效率運行

DOI：10.15938/j.emc.2019.11.008

中圖分類號：TM?343.2

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）11-0060-07

收稿日期：?2018-02-06

基金項目：國家自然科學基金（51275137）

作者簡介：孫曉波（1972—），男，博士研究生，高級工程師，研究方向為風機性能分析與優化;

孟大偉（1956—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電機設計及其優化;

楊小妮（1992—），女，碩士研究生，研究方向為電機設計及其優化。

通信作者：孟大偉

Polechanging?control?of?motors?and?its?energy?saving?of?contrarotating?axialflow?fan

SUN?Xiaobo，?MENG?Dawei，?YANG?Xiaoni

（School?of?Electric?and?Electronic?Engineering，?Harbin?University?of?Science?and?Technology，?Harbin?150080，China）

Abstract：

Aiming?at?the?problems?of?the?low?efficiency?of?the?rear?motor?because?of?its?light?load?when?the?contrarotating?axialflow?fan?runs?under?the?largeflowrate?condition?and?the?power?sharp?increasing?and?even?overload?of?the?rear?motor?when?the?contrarotating?axialflow?fan?runs?under?the?partialflowrate?condition，?the?total?pressure?rise，?efficiency?and?shaft?power?characteristics?of?the?fan?and?two?impellers?with?different?speed?matching?were?obtained?through?numerical?simulation?analysis?and?the?method?of?polechanging?speed?control?of?the?front?and?rear?motors，?and?the?high?efficiency?operation?range?of?each?speed?matching?was?also?given.?Then?a?singlewinding?twospeed?threephase?asynchronous?motor?was?designed，?of?which?the?fundamental?winding?coefficient?is?0.925?at?6?poles?and?0.945?at?8?poles?and?the?rated?efficiency?is?89.0%?at?6?poles?and?90.7%?at?8?poles.?The?performance?index?of?the?motor?satisfies?the?requirement?of?fan?impeller.?Finally，?the?energy?saving?principle?of?pole?changing?control?for?the?motors?of?the?contrarotating?axialflow?fan?was?analyzed，?and?the?method?of?pole?changing?control?of?the?motors?under?a?given?flow?rate?was?given，?which?is?simple?and?with?less?investment，?and?the?calculation?results?show?that?the?maximum?energy?saving?percent?is?above?50%.

Keywords：contrarotating?axialflow?fan;?singlewinding?doublespeed?asynchronous?motor;?winding?design;?polechanging?control;?highefficiency?operating

0?引?言

對旋風機由2個旋轉方向相反的葉輪組成，兩級葉輪分別安裝在電機的軸伸端，由2臺三相異步電動機直接驅動[1]，廣泛應用于礦業、隧道的通風系統中。

對旋風機在設計工況時，具有流量大、壓升高、效率高、反風性能好等優點，同時兩級葉輪的壓升與功率差異不大。但在偏離設計工況時，兩級葉輪的壓升與功率差異變大，運行效率降低[2]。在大流量工況，后級葉輪的壓升和功率遠低于前級葉輪，其驅動電動機輕載乃至空載運行，葉輪效率和電機效率下降較快;而在小流量工況，后級葉輪壓升和功率又迅速上升，超過前級葉輪，其驅動電動機接近滿載甚至過載。這限制了對旋風機的工況適應能力，縮小了其高效工作范圍。

通風機工作時，工況點是通風機性能曲線與管網特性曲線的交點，改變管網特性曲線和通風機性能曲線，都可以滿足不同實際工況的需要[3]。在工程中，隨著送風距離變化，多數采用風門擋板或者放風閥門來調節風機的壓升和流量，實質是人為改變風機系統的阻力，浪費能源，調節不當還會對設備造成損害，降低設備的壽命。改變通風機的性能曲線可以通過改變葉片安裝角、改變風機葉輪轉速等方法實現。改變葉片安裝角會影響葉輪區域流體的進氣條件，進而影響兩級葉輪壓升值的匹配，最終影響電機的功率。溫嘉斌等[4]針對在長距離送風狀態下，對旋軸流風機風量顯著減小、前后兩級電機功率匹配不當的問題，對兩級對旋葉輪性能與兩級電動機性能的匹配進行研究，驗證通過改變葉片安裝角提高風機運行性能的可行性。已有的數值和實驗研究顯示改變兩級葉輪轉速可以影響兩級葉輪的功率特性和運行效率，改變風機的失速特性、內部流動特性及兩級葉輪的功率匹配、拓展穩定工作范圍[5-7]。國內礦井、隧道通風中，已經廣泛使用變頻器改變風機的轉速，進而改變風機的性能曲線，使風機工作在所需流量和壓力，但都是保持兩級葉輪轉速相等。艾子健等[8]?在全工況流量范圍內，使用變頻器驅動電機，使兩級葉輪不等速運行，合理匹配葉輪功率，提高了風機的運行效率，擴展了高效率運行范圍。但是，變頻器的應用增大了投資，并且輸出電壓的諧波在電機中產生額外的損耗，同時還有設備防爆問題。

依據對旋風機不同轉速配合運行時兩級葉輪的功率特性，對電機進行重新設計，改繞成單繞組雙速三相異步電動機，采用葉輪驅動電動機變級調速方法，根據需求風量和管網阻力，使風機運行在恰當的轉速配合，達到風機兩級電動機的負載率匹配合理并且運行效率高，從而達到節能的目的，同時也擴大對旋風機的穩定運行范圍。

1?兩級葉輪不同轉速配合運行特性

以1臺型號為FBDCZNo14/2x45的礦用局部對旋風機為研究對象。該風機的額定流量為24.422?8?m3/s，額定壓升為2?208?Pa，額定轉速為980?r/min。對旋風機的結構及參數、流體場的物理模型建立、有限體積網格劃分、出入口邊界條件的設置、求解方法等詳見參考文獻[9]。定義風機出口、入口的全壓差為風機全壓升Ht，風機入口單位時間通過空氣的體積為體積流量Q。

作用在葉輪軸上的轉矩為

Ts={S[r×（τ·n）]dS}·a。（1）

式中：Ts為葉輪軸轉矩;S為組成旋轉的葉輪的表面面積，包括葉片的壓力面、吸力面、葉頂面及輪轂面;τ為總應力，包括正應力和黏性切應力;a為平行于旋轉軸的單位矢量。設前、后級葉輪的軸轉矩分別為T1s和T2s。

葉輪軸功率為

Ps=2π60Tsn。（2）

式中：Ps為葉輪軸功率;n為葉輪轉速，r/min。它也是驅動葉輪電動機的輸出功率。設前、后兩級葉輪的轉速為n1和n2，軸功率分別為P1s和P2s。

在每級葉輪的前后設置2個監測面，2個監測面上的質量平均全壓力差就是該葉輪的全壓升。設前、后兩級葉輪的全壓升分別為H1t和H2t。則對旋軸流風機的全壓效率為

η=（H1t+H2t）Q（P1s+P2s）。（3）

式中：η為風機的全壓效率。類似地，定義前、后兩級葉輪的全壓效率為η1和η2。

對旋風機單級運行時效率低且穩定性較差，不宜考慮采用單級運行的方法調節工況。設前后兩級葉輪轉速分別可為740?r/min和980?r/min，則有4種轉速配合：740-740、740-980、980-740、980-980。

圖1為數值模擬得出的對旋風機兩級葉輪不同轉速配合運行時的性能曲線。可以看出，每種轉速配合風機的全壓升流量關系曲線類似，在穩定的工作范圍內，風機全壓隨流量的增大而減小，風機都在某一流量取得最高運行效率。在偏離此流量時，整機的運行效率迅速下降。同時可以看出，隨著前后葉輪轉速的降低，風機的失速流量也隨之減小。

圖2為不同等速配合運行時兩級葉輪的全壓升、軸功率和效率與流量的關系曲線。可以看出，對于每種轉速配合，前級葉輪的全壓升和軸功率變化不大;后級葉輪的全壓升和軸功率隨流量變化非常明顯，流量減小時，后級葉輪全壓升和軸功率迅速升高，而流量增大時，后級葉輪的全壓升和軸功率又迅速下降。特別地，對于980-980轉速配合，其前級電機在全工況范圍內基本保持較高的負載率，而后級葉輪軸功率在小流量工況迅速增加，有超過電機額定值的趨勢，大流量工況時又迅速減小，電機處于輕載運行。葉輪效率的情況類似。

為保證風機系統穩定，穩定工作點的對旋風機全壓應不大于該轉速配合時最高全壓升的90%，同時，為了系統節能，風機運行效率要高于該轉速配合時最大運行效率的90%。表1給出了風機各轉速配合高效率運行范圍。

表2為風機各轉速配合下高效率運行范圍內全壓升與流量的關系。可以看出，每種轉速配合下，風機都有自己的高效率運行范圍，每一流量范圍對應多條全壓升曲線。

2?單繞組雙速三相異步電動機設計

風機流量與轉速成正比，葉輪轉矩與轉速的平方成正比，而軸功率與轉速的立方成正比。設計風機專用單繞組雙速電動機時，必須考慮到軸功率與轉速立方成正比的特點，否則會出現前、后兩級功率不平衡的情況。其核心為變極繞組設計，然而變極時的繞組系數一般較低，電機性能較差，可能帶來更多的能耗。保證變極前后的繞組系數高、諧波含量低是雙速變極繞組設計的關鍵。

在設計單繞組雙速變極電機時遵循以下原則：新設計電機的外形結構尺寸不宜與原電機相差過大，最好等于或稍小于原型號電機;按風機系統運行的高效區合理確定兩種轉速下電機額定功率;繞組排列應保證繞組利用率高，諧波含量低;特性曲線應基本滿足功率與轉速立方成正比，轉矩與轉速平方成正比的要求;盡量降低電機制造成本，達到節省成本的目的。

由前節研究可知，在風機各轉速配合的高效運行區，980?r/min運行時葉輪時最大軸功率為31.5?kW，而740?r/min運行時葉輪最大的軸功率為14?kW。對旋軸流風機電動機6極和8極時的功率為

PN=KPs。（5）

式中K為功率儲備系數，K=1.05～1.10。

由此，計算得出風機電動機6極運行時的額定功率為33?kW，8極運行時的額定功率為16?kW。功率的選用基本符合軸功率與轉速的立方成正比的關系。

設計的電動機采用Y250機座，定子72槽，轉子58槽。電動機的繞組在6極時采用正規60°相帶，采用對稱軸線法得到8極時的正規60°相帶[10]。在6極下，對電動機繞組進行60°相帶劃分，每相繞組分為6段。再將6極下每相所占的槽號按照8極槽號相位排列，用對稱軸線法劃出8極下每相槽號，繞組仍為6段。把每相鄰2根對稱軸線之間的6段槽號串聯作為變8極的一相。

6極和8極時的繞組接線如圖3所示。2種極下繞組均為Y形聯結。

表3為所設計的單繞組雙速電動機繞組系數、磁動勢諧波計算結果。可以看出，6極時的基波繞組系數為0.925，而8極時的基波繞組系數為0.945，繞組利用率較高，各次磁動勢諧波幅值較小。繞組性能優于文獻[11]繞組方案。

所設計的單繞組雙速異步電動機除繞組設計方案、線規、匝數以及鐵芯長度不同外，所用材料和定、轉子槽型尺寸等都與Y250-6?37?kW電動機一致，制造上不會額外增加成本，和原來的Y280-6?45?kW電動機相比，機座號減小1個，生產成本還略有降低。

電機各項性能指標數據如表4所示。可以看出，單繞組雙速三相異步電動機的額定效率較高，6極時為89.0%，8極時為90.7%。功率因數指標，6極時較高，為0.88，8極時略低，為0.79。而8極的最大轉矩倍數、起動轉矩倍數、起動電流倍數等比6極的大。電機性能指標滿足驅動風機葉輪的要求。

3?對旋風機電機變極調速控制

3.1?變轉速控制節能原理

局部通風機一般是按照通風最困難時期的風壓和風量來選型的。在不改變風機葉輪轉速時，在多數情況下并不需要風機的最大風量和風壓，尤其是在短距離通風時，風量較大，浪費電能。此時，通過降低風機葉輪轉速，可以實現節能。

單級葉輪風機的風壓與風量關系如圖4所示。圖中：Q為風機流量，m3/s;風機特性曲線Ht=f（Q），Pa;風阻特性曲線H=RQ2，Pa。葉輪軸功率P=QHt/η=Ts2πn，W，其中η為風機葉輪效率。

通風管網的風阻特性[12]一般為

H=H0+ζvQ2。（4）

式中：H為管網的阻力，Pa;H0為管網的基本阻力，Pa;ζv為阻力系數;Q的單位為m3/s。在礦采初期，ζv值小，在礦采末期，ζv值大。ζv值可由試驗測定。

根據流體力學原理可知，單級葉輪風機電動機的轉速從n1降到n2，風量Q、葉輪壓升H及軸功率P的關系為

Q1Q2=n1n2，H1H3=n21n22，P1P2=n31n32。（6）

式中：n1、n2分別為葉輪的轉速;Q1、Q2為通風機在轉速為n1、n2時相應的風量;H1、H3為通風機在轉速為n1、n2時相應的風壓;P1、P2為通風機在轉速為n1、n2時相應的軸功率。

若風阻特性保持不變，當風機轉速在額定轉速75.5%運行時，根據式（6）可以知道其功率變為額定功率的43.0%，考慮摩擦等各種損耗，節省的電能可以達到50%以上。

3.2?變極調速控制方法

對旋風機可以看成由2個單級葉輪風機串聯組成的工作于同一流量的風機組。這里，將原設計的對旋風機的單速電動機改為雙速電動機，轉速分別為980?r/min和740?r/min。采用變級調速，運用數值模擬或文獻[13]中的TF-3型通風機綜合測試儀現場測試，將得到4條對旋風機性能曲線。計算每段管網的風阻和漏風率，獲得整段管網阻力及風機風量。根據阻力特性的不同，選取合適的風機性能曲線，使風機的流量在規定的范圍內。

選取巷道內的瓦斯傳感器、風速傳感器、溫度傳感器、粉塵傳感器的感應數據反饋，根據不同的測量數據調節對旋風機轉速配合來改變風機的出口風量和風壓，可實現工作面風量的穩定。

具體調整方法：風機首先運行于740-740轉速配合，測量管網出口風量，若風量大于所需風量，且在此轉速配合的高效率運行范圍內，則風機轉速保持不變;若不在此轉速配合的高效率運行范圍內，或風筒出口風量小于所需風量，則轉速配合變為740-980。繼續監測管網出口風量，若風量大于所需風量，且在此轉速配合的高效率運行范圍內，則風機轉速保持不變。若風筒出口風量仍小于所需風量，則轉速配合變為980-740。依次類推，直到選擇了合適的轉速配合。然后調節風門開度，使風筒出口風量略微大于所需風量。

上述變級調速改變風機特性曲線的方法，雖然不能像變頻調速改變風機特性曲線那樣完全適應風阻特性進而保持嚴格流量恒定，但僅使用專用開關或接觸器就可以實現，降低了系統的復雜性，減少了投資，具有工程上的可行性。

3.3?風機電機變極調速控制節能分析

當對旋風機設計轉速運行時，若風量大于所需風量時，需要減小風門開度，但風機的軸功率增大，效率降低[14]。其他轉速配合時情況類似。這里僅對風門全開時的風機電機變極調速控制進行分析，以說明節能效果。

設巷道礦采初期的管網阻力特性為H1=10+0.355Q2，中前期的管網阻力特性為H2=10+1.325Q2，中后期的管網阻力特性為H3=10+2.755Q2，末期的管網阻力特性為H4=10+5.455Q2，其中基本阻力為10?Pa。將4條管網阻力特性曲線與4種轉速配合的風機全壓特性曲線繪在一起，如圖5所示。

計算各管網阻力特性下4種轉速配合時工作點的功率，如表5～表8所示。可以看出，對于某一管網阻力特性，4種轉速配合運行時風機的工作點全壓升和流量隨著前級/后級葉輪轉速的降低而降低，風機的空氣功和軸功率也隨之降低。

在礦采初期，若所需風量25.50?m3/s足夠，980-980轉速配合時的軸功率比740-740轉速配合時多18?063?W，考慮電機效率變化，至少節能50%。

在礦采中前期，若所需風量22.50m3/s足夠，980-980轉速配合時的軸功率比740-740轉速配合時多25?376?W，考慮電機效率變化，至少節能52%。

在礦采中后期，若風量為23.00?m3/s足夠，980-980轉速配合時的軸功率比980-740轉速配合時多7?160?W，考慮電機效率變化，僅節能13%。而在礦采末期，所需風量在21.00?m3/s，則只能運行在980-980轉速配合。

上述分析說明，對旋風機電動機變極調速控制可以使風機在礦采初期和中前期顯著節能，而在礦采末期節能效果不明顯。為了節能，在礦采初期和中前期應使風機運行在低轉速配合。

4?結?論

在分析各轉速配合下對旋風機的性能基礎上，設計單繞組雙速三相異步電動機，對葉輪電動機變極調速控制，給出控制方法，進行工作點功率計算。可得以下結論：

1）采用變級調速可減少葉輪電動機額定功率，可以保持電機較高的負載率。

2）利用對稱軸法設計的單繞組雙速三相異步電動機繞組，其基波繞組系數6極時為0.925，8極時為0.945，繞組利用率高。6極時額定效率為89.00%，功率因數0.88，8極時額定效率90.72%，功率因數0.79。電機性能指標滿足要求。

3）根據需求風量和管網阻力對風機兩級電動機變極調速，改變風機全壓升性能曲線，使風機高效率運行，節能可達50%以上，并且礦采初期和中前期節能顯著。

參?考?文?獻：

[1]?WALLIS?R?A.?Axial?flow?fans：?design?and?practice[M].?London：Academic?Press，?2014.

[2]?王軍，宋文艷.?對旋風機兩級功率特性的對比研究[J].流體機械，2000，?28（11）：5.

WANG?Jun，?SONG?Wenyan.Investigation?on?comparison?of?power?characteristics?for?twostage?counterrotating?axialflow?fans[J].?Fluid?Machinery，?2000，?28（11）：?5.

[3]?昌澤舟.?軸流式通風機實用技術[M].?北京：機械工業出版社，?2005.

[4]?溫嘉斌，和海波.?對旋軸流通風機流場預測及兩級電機功率匹配研究[J].?電工技術學報，2015，?30（1）：105.

WEN?Jiabin，HE?Haibo.Flow?field?estimation?of?counterrotating?axial?flow?fan?and?power?matching?research?of?two?motors[J].Transactions?of?China?Electrotechnical?Society，2015，30（1）：105.

[5]?PUNDHIR?D.?A?study?of?some?factors?affecting?the?effectiveness?of?casing?treatment?in?a?contrarotating?axial?compressor?stage[J].?Indian?Journal?of?Engineering?and?Material?Sciences，1994，1：199.

[6]?CHEN?Y?Y，?LIU?B，?XUAN?Y，?et?al.?A?study?of?speed?ratio?affecting?the?performance?of?a?contrarotating?axial?compressor[J].?Proceedings?of?the?Institution?of?Mechanical?Engineers，?Part?G：?Journal?of?Aerospace?Engineering，?2008，?222（7）：?985.

[7]?劉紅蕊，?耿少娟，?方杭安，?等.?對旋軸流風機變轉速匹配性能研究[J].?機械設計與制造，?2012（3）：116.

LIU?Hongrui，?GENG?Shaojuan，?FANG?Hangan，?et?al.?Numerical?study?on?matching?performance?of?contrarotating?axial?flow?fan?under?variable?speed[J].Machinery?Design?&?Manufacture，?2012（3）：116.

[8]?艾子健，?秦國良，?和文強，?等.?對旋風機變工況下兩級葉輪變轉速匹配研究[J].?哈爾濱工程大學學報，?2016，?37（4）：?592.

AI?Zijian，?QIN?Guoliang，?He?Wenqiang，?et?al.?Speed?matching?of?twostage?impeller?with?counterrotating?fan?under?variable?operating?conditions[J].?Journal?of?Harbin?Engineering?University，?2016，?37（4）：?592.

[9]?SUN?Xiaobo，?MENG?Dawei，?LIU?Baowen，?et?al.?Numerical?investigation?of?differential?speed?operation?of?two?impellers?of?contrarotating?axialflow?fan[J].?Advances?in?Mechanical?Engineering，?2017，?9（10）：1.

[10]?許實章.?新型電機繞組—理論與設計[M].?北京：機械工業出版社，2003.

[11]?吳銀龍，李晶.?高壓單繞組雙速三相異步電動機設計分析[J].?防爆電機，2011，46（3）：23.

WU?Yinlong，?LI?Jing.?Design?of?highvoltage?singlewinding?doublespeed?threephase?induction?motor[J].?ExplosionProof?Electric?Machine，?2011，?46（3）：?23.

[12]?CAO?L?L，?WATANABE?S，?IMANISHI?T，?et?al.?On?high?efficiency?operation?of?contrarotating?axial?flow?pump?with?rotational?speed?control?toward?effective?energy?saving[J].IOP?Conference?Series：?Earth?and?Environmental?Science，?2012，?15（4）：?20.

[13]?陳更林，楊勝強，閆照粉.礦用對旋軸流式主通風機性能曲線的現場測試研究[J].?工礦自動化，?2008（3）：?12.

CHEN?Genglin，?YANG?Shengqiang，?YAN?Zhaofen.?Research?of?field?test?for?performance?curve?of?mineused?counterrotating?axial?ventilator[J].?Industry?and?Mine?Automation，?2008（3）：12.

（編輯：邱赫男）