變頻調速技術在焊接車間排風系統的應用

摘要：隨著變頻調速技術的不斷發展和進步，變頻器已經成為各企業中不可缺少的電氣設備，變頻調速技術在風機中發揮出很大的節能優勢。以變頻調速技術在焊接車間排風系統的應用為例，介紹了變頻調速技術的特點，詳細講述了變頻器的工作原理及采用變頻調速的必要性。

關鍵詞：變頻器；調速控制；風機；節能

焊接過程中產生的電弧，焊條芯、藥皮和金屬焊件融熔后要發生氣化、蒸發和凝結現象，會產生大量的錳鉻氧化物及有害煙塵，長期吸入高濃度的焊接煙塵，可引起焊工塵肺，對從業人員的身體健康構成極大威脅。我院的焊接培訓中心承擔了校內外的焊接實訓任務，針對我院設備運行的具體情況，將電機變頻調速技術用于風機的風量控制，用調節電機轉速來調節風量的方法，節能效果十分顯著。

1.變頻調速技術的特點

變頻器是指利用一定的電力電子技術來改變電源的頻率與幅度已達到電力控制的機械設備。變頻器在風機上的應用有顯著的優勢，能夠通過電力電源的改變與控制減少能源的消耗。變頻器調速的控制有著十分積極的意義，變頻調速能夠限定電動機的額定電流，減小機械的負載增加電動機和風機的使用壽命。同時，變頻調速的控制能夠減小一些不必要的機械轉動程序，減小能源的損耗，提高資源的利用率。除此之外，高效的調速控制將進一步保持機械設備的穩定性，保障其在工作環境下的安全運行。

2.變頻調速技術的工作原理

根據三相異步電動機的工作原理，三相異步電動機的轉速公式為：

（1）

式中， 為電機轉速， 為電源頻率， 為轉差率， 為電機極對數。

常用的改變電機轉速的方法有：調壓調速、變極調速、串極調速、變頻調速。在這些方法中，最簡單易行的便是通過改變電源頻率而達到改變電機轉速的目的，由（1）式可知，當轉差率 、極對數 不變時，電動機的轉速 與電源頻率 成正比，所以改變電源頻率 就能改變電動機的轉速 ，從而實現調速，變頻調速技術就是以此為原理發展起來的。

在進行電機調速時，希望保持每極磁通量 的恒定。磁通太弱，電機的鐵心得不到充分利用，是一種浪費；磁通太強，會使鐵心飽和，導致過大的勵磁電流，嚴重時還會因繞組的過熱而損壞電機。在交流異步電機中，如何保證磁通的恒定呢？

氣隙主磁通在定子一相繞組中產生的感應電動勢為：

（2）

一相定子繞組的電壓方程為： （ 為定子繞組阻抗）。 如果忽略了定子壓降，則（2）式可近似表示為：

（3）所以，

（4）

式中， 為定子每相感應電動勢的有效值， 為定子頻率， 為定子每相繞組串聯匝數， 為基波繞組系數， 為每極氣息磁通量， ，是一個常數。

由（4）式可以看出，要保持電機磁通量恒定，必須使定子電壓與頻率的比值保持不變，這種 的配合變化稱為恒磁通變頻調速中的協調控制，根據 協調控制的方式不同，分為基頻以下調速和基頻以上調速兩種，下面對常用的基頻以下調速進行介紹：

（1）恒電壓頻率比（ =常數）調速

根據電動機的電磁轉矩公式 可知， 與 、 成正比，要保持 不變，則必須使 不變，要 與 成正比變化，即： =常數，這種恒電壓頻率比控制方式的機械特性曲線（以六極電機為例）如圖1所示。

圖1 =常數時的變頻調速機械特性

由圖1可以看出，從同步轉速 時 =0到最大轉距 的特性曲線可以近似看作是直線關系，且線性段基本平行，類似于直流電機的調壓特性。但最大轉距 隨 下降而減少， 較高時， 和 的數值較大，定子阻抗壓降相對較小，可以忽略，所以 ；而 較低時， 和 的數值較小，定子阻抗壓降相對較大，不能再忽略， 。并且因為 較小， 小很多， 就較小，這對于滿載或過載起動是很不利的，而對于風機水泵類機械負載還是合適的。

（2）恒電勢頻率比（ =常數）調速

用恒電壓頻率比協調控制時，在低速時最大轉距 減少，降低了起動與過載能力。低速時為了保持 不變，，提高起動能力，就必須采用“ =常數”的協調控制方式。如前所述，因為低頻時， 和 都較小，定子阻抗壓降的份量就比較顯著，不能忽略。這時隨轉速的降低，定子電壓應適當提高，以近似補償定子阻抗引起的壓降，從而保證電機具有恒定最大轉矩 。這時電機的機械特性如圖2。

恒電壓頻率比比控制特性和恒電勢頻率比控制特性如圖3。

圖2 =常數時的變頻調速機械特

圖3 恒電壓頻率比和恒電勢頻比控制特性

從以上分析可以看出，變頻調速可得到幾乎與直流電機調壓調速相同 “硬度”的機械特性，而這正是變頻調速與其他調速方式相比所具有的優點之一。

3節能原理

風機是傳送氣體的機械設備，從流體力學原理得知風機的軸功率等于風量與風壓的乘積，即： ，其中，H表示風壓，Q表示風量。

所以， = （5）

由（5）式可知，風機的軸功率與風機的轉速的三次方成正比，即風機的軸功率與供電頻率的三次方成正比。具有以下關系：

頻率f（Hz） 50 45 40 35 30 25

軸功率P（%） 100% 72.9% 51.2% 34.3% 21.6% 12.5%

節電率（%） 0.00% 27.1% 48.8% 65.7% 78.4% 87.5%

通過上表可以清楚看出，采用變頻調速控制系統，節電效果非常明顯。

4結語

實踐證明，變頻調速用于風機控制有顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式，既滿足了安全生產需求，克服了交流電動機直接啟動的缺點，有提高了設備效率，并且大大減少了設備維修維護費用，其直接和間接經濟效益十分顯著。

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作者簡介：馬淑芳（1978—），女，漢族，山東濰坊人，單位：青島濱海學院，講師，碩士，（研究方向）電力電子與電機控制技術，青島市黃島區青島濱海學院機電工程學院電氣教研室，郵編266555。

項目名稱：青島濱海學院科技計劃項目

項目編號：2016K16endprint