研究变频控制在风机负载中的应用

田郁林

摘 要：在我国的工业生产中，每年至少有10%的电气负荷是各类风机的负载，对于风机这一类需要对流量进行调节和控制的交流异步电动机负载单元，传统的调节流量的方式对能源的浪费和损耗是极为严重的。目前，利用调压、电磁或是液力耦合器对风机进行调速的调节风机负载的模式因其消耗的功率过大，效率过低，已被市场所淘汰，目前最为传统的变级调速、串级调速和变频调速是风机负载改造的趋势和方向，其中，变频调节控制是以改变电动机的电源频率进而改变电机磁场使其旋转速度同步改变的方法，耗能大大减小。本文正是通过对风机负载与风量控制的原理和种类进行阐述，进而深入的探讨了变频控制的技术优势，以某锅炉房的引风机机的改造为实例，横纵对比出变频控制在风机负载中应用的效果，为民用锅炉房中风机的改造、投资提供参考借鉴。

关键词：变频调节；风机风量控制；风机负载；实例应用

中图分类号： TD614 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）06-184-3

引言

最初人们对风机的调速依靠的是风门的开度，即风机一直处于最大负载、最高转速，通过对风门的开合程度的调节才能够实现对对风量的控制。这种传统的控制风量的模式显然具有高耗能的特点，据不完全统计，利用风门或风量调节器这样的调节方式，仅风机就多消耗了三到五成的能量，这一数据对于供热企业生产来讲是极为可怕的。风机的电机属于交流电动机，交流电动机的特点就是在负载改变的情况下，可以通过多种方式对其进行驱动的改变和转速的调整。利用这些方式调节风机的转速和驱动就大大降低了风机的耗能。

1 风机类负载特性

风机负载在我国的工业企业中的耗能是极为巨大的，平均每个企业每年至少有10%的电气负荷是各类风机的负载，对于风机这一类需要对流量进行调节和控制的交流异步电动机负载单元，传统的调节流量的方式对能源的浪费和损耗是极为严重的。目前，利用调压、电磁或是液力耦合器对风机进行调速的调节风机负载的模式因其消耗的功率过大，效率过低，已被市场所淘汰，目前最为传統的变级调速、串级调速和变频调速是风机负载改造的趋势和方向，其中，变频调节控制是以改变电动机的电源频率进而改变电机磁场使其旋转速度同步改变的方法，耗能大大减小。

2 风机负载调速控制方式

风机的负载本质上是带动风机运行的异步电动机的负载，相比调节风机外部的流量控制阀和风门来讲，从本质上调节风机电动机的转速，即调节带动风机的异步电动机的速度就显得更为直接和高效，通常的，调节电动机速度的方法有变级调速、串级调速和变频调速三种。

2.1 变级调速

根据带动风机运转的异步电动机的转速公式：n=60f（1- S）/p，我们可以明显地看出，异步电动机的转速n与电动机的输入频率（f）正相关，与代表电机磁极对数的p负相关，而电机转差率S对电动机转速的影响并不很大，因此，若想通过改变异步电动机的转速而改变风机的运转频率和速度，则主要应通过改变电动机的输入频率f或改变电机的磁极对数p来实现。

然而，变级调速的缺点也是很明显的，即无法适用于需要进行平滑调速和频繁调速的异步电动机，因此，变级调速在风机控制中的使用并不常见。

2.2 串级调速

串级调速是对变级调速进行了优化的一种调速模式，串级调速通过在变级调速的绕线型异步电动机中串联入一个与原电势频率一致但电势相位相反的附加电势，通过这个附加电势的串入，就能够实现对异步电动机的平滑变速和无级变速，不仅保留了变级变速的低耗能、易操作的调速模式，还实现了变级调速无法实现的平滑无级调速。但不可忽视的是，串级调速因其需要有附加电势来串入才能实现调速的功能，但同时这也将产生高次谐波，对整个电网产生谐波污染，适用范围也十分有限。

2.3 变频调速

与变级调速和串级调速的调速原理不同，变频调速是以改变异步电动机输入端电源的频率为基本原理而实现的，由电动机转速公式n=60f（1-S）/p 可知，改变电动机的输入频率f也可以改变异步电动机的转速。在变频调速中，我们采用不同型号的变频调节器将公共频率为50Hz的电源变换成不同频率以满足调节异步电动机转速的需要。

根据变频调速的工作原理，我们可以知道，变频调速不仅能够毫不费力地实现平滑无级调速，而且还具有较小的能量损耗；不仅转差率小，调节速度的区间范围较大大，而且可以实现较高的调速精度；不仅能够在鼠笼型异步电动机中得到应用，还能适用于绕线型异步电动机和同步电动机等多种类型的电动机，适用范围更加广泛；尤其因其不需要进行变级，其在启动和制动的相应过程中电机采用变频启动、制动模式，又能够节约相当大一部分能源。

3 风机利用变频节能的原理

3.1 调节风量通过改变风机运行来进行

根据图1，风机的节能利用了变频器控制风机运行频率的原理，通过对风机进行变频控制，使得风机所受的空气动力减小，从而实现节电节能，同一般的风门调节控制风量的方法相比，变频控制方法的节电效果更为明显。

由图1我们可以看到，图中显示的阀门全开时和阀门关小时风机在恒定转速n1下的风压一风量（H-Q）特性。假设，在A点时，风机的工作效率最高，而在此时，风量为Q1、风压为H1、轴功率N1与Q1、H1的乘积成明显的正比例关系；如图中不规则图形AH1OQ1即为其表示。当因为生产需要，风量需要降低时，如图1所示，风量由Q1减至Q2时，采用调节风门的方法相当于将管网阻力增加，即整个系统的工作情况由点A调节至点B，我们可以看到，B点较A点的风压随之增加，轴功率与此时风量和风压的乘积，即不规则面积BH2OQ2成正比。在此情况下，轴功率并没明显变化。同样条件下，若利用变频器对风机的速度进行调节，将风机的转速适当降低，则根据风机参数的比例定律，在同样的将风量降低到Q2的情况下，风压则会呈现明显的下降趋势，风机的功率也将随之降低，节电节能的效果可以说是十分显著。

3.2 风机在不同频率下的节能效率

风机，作为将气体进行传送的机械设备，其工作本质上的原理是将电动机的轴功率转化为风这一流体的机械能。在流体力学的角度上来看，风机所产生的风量和电机的转速功率程正相关，即风机的风量与风机（电机）的转速成正比，风机的风压与风机（电机）的转速平方成正比，这就意味着，风机的轴功率等于风量与风压，故风机的轴功率与风机（电机）的转速的二次方成正比（即风机水泵的轴功率与供电频率的二次方成正比）。

4 变频调速优点

4.1 变频调速控制技术与变阀调节的对比

变阀控制：变阀调节顾名思义，就是对风机管道阀门的开合程度来对风机的风力、流量和流速进行调节。变阀调节因为改变的是风机外部的流量调节阀的开合程度，故而对风机自身的能耗和功率并不产生影响，但却对风机气流对风机阀门及风机管道的阻力和压力产生影响，需要频繁调节风机速度时，对风机阀门的更换频率要求是非常高的，不然则无法很好地满足工作需要的风力的准确度和灵敏度。

变阀控制通过调节阀门的开合程度来调节不同的风量，这一方式有着明显的不足：其一，电机及风机需要满载运行，转速高、负荷重、浪费严重；其二，变阀调节无法进行精准控制；其三，电机启动、制动时需要的功率较大，对整个电网的冲击较大，对电网的要求较高；其四，变阀控制对机械的冲击和磨损都较大，设备需要经常更换；其五，当电机出现故障时，无法对其进行保护。

变频控制：变频调节控制速度技术是比较理想的一种调节方法，因为变速调节中没有附加阻力。通过变频器改变电源的工作频率，从而实现对交流电机的无级调速。对风机采用变速调节时，其效率基本不变，不但可以减轻磨损，降低风机的噪声，延长使用寿命，还能实现大的电动机的软停、软启，避免了启动时的冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。

4.2 变频调速控制技术与串级调速的对比

变频调速所需要的有功功率和机械串级相当，但在相同的负载条件下，由于机械串级比变频调速的转子电流要小，因此，机械串级的定子电流也就小一些。而变频装置本身损耗的大小，则是决定它与机械串级调速相比是否节能的关键条件。

变频调速所需无功功率的特点是在频率高和频率低的两头时无功功率高，而机械串级的无功功率变化较平稳，两種方法的平均值则相当。可以这样说，电流型的变频器具有在高频高压下的高功率，而在低频低压时，其功率就要弱化。

4.3 变频调速控制技术的优点

首先，变频调速可用于鼠笼型异步机的无级高效调速，而机械串级调速则不能用于鼠笼型异步机的调速；其次，由上文可知，变频调速能够有效地应对转速高、调速范围广的需求。

但就目前的情况来讲，变频调速控制技术还不足够成熟，其可靠性还不足以满足全面的推广，一些相关的元器件的标准还没有制定出来，一些相关的技术经验以及维护工艺还有待完善。

5 变频控制在风机负载中的应用实例

本文在锅炉房引风机做了系统的研究和分析后，提出了锅炉房风机负载的变频改造计划，整个过程实例如下：

5.1 改造风机设备简介

拟定改造的风机为××锅炉房所配备的2台引风机，改造前的2台引风机组的异步电动机采用的是变级调速模式。

这两台引风机在2014年已经进行了一次改造，当时的改造将原有的变级调速模式改为了串级调速模式，自改变后算起，平均每年已为供热企业节约了30余万度电，大大降低了能耗比。

但自从改造至今，引风机的内部元件出现了8次较为严重的损坏或烧毁的现象，为生产造成了极大的不便和重大的经济损失，在最近的一次风机电容短路事件中，造成的直接经济损失就达百万余元。

5.2 风机变频改造情况

在本次改造计划中，将原有的串级调速装置以变频装置来取代。同时，将原有的绕线式电动机以异步电机作为替换，还采取加装旁路柜的方式来提高整个系统的可靠程度。

5.3 风机改造后效果分析

笔者对风机改造后的效果总结如下：

其一，改动后风机起动停止平衡，实现了无级调速，且调速范围有效扩大；

其二，改动后的风机工作可靠，能长期稳定运行；

其三，改动后的风机操作起来更加简单，维护量也大大减小；

其四，改动后风机的输出特性可满足风机性能要求；

其五，改动后的风机节能效果显著，通过笔者的粗略计算，风机改造所进行的设备投资在三年内仅通过节能效益即可得到有效回收。

6 结论

综上所述，采用变频调速控制调速方式具有调节范围宽、线性程度好、设备能耗低、运行效率高以及运行精度高的优势和特点，目前已经在全国范围内的多家电力、冶金以及化工类企业得到了广泛的应用，就目前的使用情况来看，无一不取得了较为明显的收效。对风机实施变频改造，不仅可以避免启动和制动对电机的磨损和冲击，还能够有效地减轻系统的运转压力，有效减少设备故障，降低维修费用，延长设备使用时间。在节点节能方面的收效更是显而易见。

同时，我们也要看到变频调速控制技术巨大的使用前景，随着变频控制技术和相关设备生产的日益成熟，变频机组的成本将随之降低，投资回报期也将随之进一步缩短。而且，变频调速控制技术不仅仅能够适用于风机的改造，对其他需要控制流量和流速的以电动机为基础的机械系统如水泵等也能够运用相同的原理进行改造。大力发展和推进变频调速控制技术，既是国家节能减排的要求，也是企业降低成本，走向现代化生产的必经之路。

参 考 文 献

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