離心式引風機用變頻調速技術的節能分析

高 君

（山西平舒煤業有限責任公司， 山西 晉中 045400）

引言

離心式引風機是重要的生產設備，用于向作業系統提供足夠的高壓風。傳統的離心式引風機主要是通過風門調解風量，容易出現風門卡死等故障，生產效率低下，且產生巨大的電能消耗。變頻調速技術的出現，有效解決了這一難題，應給予廣泛關注和應用。

1 在離心式引風機中應用變頻調節節能技術的必要性

在變頻調節中，變頻器是關鍵，它合理地應用于微電子技術以及變頻技術，并對電機工作頻率進行實時監控。一旦發現電機工作時的頻率出現問題，應及時調整，以此來更好地對電動機以及相關電力設備進行控制。基于我國可持續發展戰略的要求，在各項生產中要求實現節能設計。以電解槽供料系統為例，在作業過程中需要啟用36臺離心式引風機進行高壓風供給。產生大量的能源消耗，如果能夠在離心式引風機中實現變頻控制將能夠很好地節約能源，具有極大的改造價值，對產業的可持續發展和核心競爭力的提升有重要意義[1]。

2 變頻調節技術的工作原理

變頻調節技術中變頻器是核心。變頻器主要由整流、逆變以及單元檢測幾個環節構成，通過對電源頻率的合理調節從而實現對電壓具體數值的更改，達到節能環保的目的。在風機與泵類進行系統工作時，變頻調速起到了極為明顯的作用。這也是我國環保部門極力推薦變頻調速在鼓風機中運用的主要原因。對于交流電機的轉速n而言，其公式為

其中：np為極對數，f為定子供電頻率，s為轉速差。

通過公式（1）可以表明，三相交流電動機轉矩是決定變頻調速的主要指標。要控制電機的轉速，需對兩個參數進行控制，一方面要對供電頻率進行有效調節，另一方面要對供電電壓進行有效調節。只有雙管齊下，才能有效保證變頻調速可以正常有序地運行在電動機的工作中。測試功率為16 kW的風機，對其進風量和轉速進行調節，并測定實際數據（見表1、表 2）[2]。

表1 風量變量下測試數據

表2 轉速變量下測試數據

3 變頻調節技術與負載的關系

3.1 恒轉矩類負載的節能分析

空氣、介質對機械的阻力和轉速的關系如公式（2）所示：

式中：k代表比例系數。風機上軸承形成摩擦力矩，具有反抗性復雜，外加力矩需要對這一反抗性復雜進行克服從而實現風機轉動。那么在實際工作條件下風機的負載轉矩公式為：

式中：M代表負載轉矩，m為摩擦力矩。那么在假設電動機的輸入功率與裝置的軸功率相等的條件下，排除風機裝置功效的影響，風機的定速運轉轉變為流量調解轉速就可以實現風機運轉節能的需求。

3.2 離心式風機負載節能的分析

根據過往的工作數據，參考風機功率曲線，可以發現風機特性公式：

式中：Pw為風機電動機軸功率，Q為風機流量，p為風壓。

與此同時，對于節能原理來講，設定電動機的轉速分別為 n1、n2，對應的流量分別為 Q1、Q2。則可獲得對應公式：

進行具體數值帶入可知，當轉速比原轉速降低了10%，功率比原來下降了30%。根據公式能耗W=Pt。那么設定做功時間均為t，可得出：

也就是說對于風量較大的風機采用變頻調解替代風門進行風量調節將能夠有效實現變頻節能。

4 基于變頻調節技術的離心式引風機的優化改造

圖1為現用離心式引風機的結構。根據上述變頻調節的原理來看，風機改造無需進行全面改造，僅需要在風機電動機上增加調速裝置，實現變頻調節[3]。

圖1 離心引風機結構示意圖

其具體的工作原理就是將溜槽的實際風壓經反饋后送入比較器與給定電壓進行比較。當存在風壓不足時，利用PID的參數調整實現電壓上升，進而使VVVF的頻率增加，實現轉速調整，從而加大引風機的風量高攻擊，情況相反時，則降低電壓，減少風量，從而保持恒壓供風的穩定性。設計壓力傳感器對管道壓力進行測算。當需求流量下降后，調節轉速可以節約大量的能源。具體控制流程如圖2所示。

在了解了變頻器的具體原理后，需要對變頻器進行合理選型，才能保證變頻調解效果達到最優化。根據經驗公式：

式中：P為機械要求輸出功率，kW；n為機械轉速；T為機械最大轉矩。

那么根據公式（9）可知，為了達到良好的變頻效果，必須滿足以下條件：變頻器的額定電流A及輸出功率P變應稍大于電機的額定電流A1及P電。

5 變頻調節技術在離心式引風機的節能效果分析

圖2 風機變頻調節的具體控制流程

對某應用了變頻調節技術的離心式引風機進行實測效果分析，按照引風機實際工作電流44 A計算，年運轉周期為360天的境況下，調速范圍控制在30～50 Hz之間，平均可節約電能超過250 000 kWh，根據按照電價0.25元/kWh來計算，平均每臺風機年節約電費62 000元以上。根據公式W=Pt進行計算，現有的調解控制方式較原有的控制方法節約電能10%～15%，滿足節能需求，符合綠色生產的理念。

6 結論

1）使用變頻調節技術后，電力節約效果明顯，有利于生產作業中資金和能源的優化配置，同時體現了自動化控制的優越性。

2）通過變頻器進行控制能夠實現設備的平滑啟動，減少反復啟停過程中的機械設備磨損，從而降低了設備的維修概率，同時避免了長時間停機對生產效率和質量的影響。

3）通過變頻調節，有效克服了傳統風門調節過程中擋板、調解閥卡死或磨損的問題。

4）除了在離心式引風機上進行應用外，該項技術還可以對多種流量調節設備進行應用，促進各產業走向節能發展。