大型永磁無刷風(fēng)扇變頻控制系統(tǒng)及節(jié)能分析

李本劼

（鎮(zhèn)江市節(jié)能監(jiān)察中心，江蘇鎮(zhèn)江 212001）

借助低碳環(huán)保理念的深入人心，高風(fēng)量低轉(zhuǎn)速大型風(fēng)扇正漸漸應(yīng)用在大型廠房、物流堆棧、配送中央、養(yǎng)殖場(chǎng)以及體育館、車站、機(jī)場(chǎng)等大型場(chǎng)所內(nèi)，成為室內(nèi)通風(fēng)降溫、驅(qū)除濕熱的最佳選擇。相比于大家常見的風(fēng)扇，外型尺寸都比較小，直徑大多數(shù)都在0.75 m左右，而工業(yè)風(fēng)扇的直徑最大都可以達(dá)到7.3 m，滿載風(fēng)量超過10 000 m3，覆蓋面積超過 1 400 m2。

目前，絕大多數(shù)大型風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)主要采用異步電動(dòng)機(jī)配合減速機(jī)一起使用的方式，由于該電機(jī)功率因數(shù)低、能耗較高、調(diào)速性能差，還必須使用減速機(jī)變速，造成風(fēng)扇傳動(dòng)部件復(fù)雜、體積大和重量增加。針對(duì)上述問題，研發(fā)出了一種基于永磁同步電機(jī)技術(shù)、獨(dú)特外轉(zhuǎn)子大扭矩設(shè)計(jì)的新型風(fēng)扇[1]，圖1是大型永磁無刷風(fēng)扇實(shí)例圖。較傳統(tǒng)的異步電機(jī)，它消除了齒輪減速機(jī)的摩擦能耗，因此扭矩更高。由于省去了減速機(jī)，可大大縮小風(fēng)扇傳動(dòng)部件的體積，減輕重量，從而使風(fēng)扇結(jié)構(gòu)更緊湊更合理，運(yùn)行效率高。

1 大型永磁無刷風(fēng)扇的永磁同步電機(jī)

大型永磁無刷風(fēng)扇結(jié)合了空氣動(dòng)力學(xué)、傳動(dòng)力學(xué)、脈寬調(diào)制控制技術(shù)、機(jī)械力學(xué)和仿真模擬技術(shù)等一系列綜合學(xué)科技術(shù)，采用先進(jìn)的精密加工設(shè)備制造而成。大型永磁無刷風(fēng)扇核心部件是永磁同步電機(jī)，它的好壞、性能優(yōu)劣直接影響到風(fēng)扇的運(yùn)行性能及維護(hù)保養(yǎng)周期，性能優(yōu)良的永磁同步電機(jī)可以增強(qiáng)工業(yè)風(fēng)扇的使用效率，延長(zhǎng)使用時(shí)間。

圖1 大型永磁無刷風(fēng)扇

永磁同步電機(jī)相比于傳統(tǒng)的異步電機(jī)，擁有高級(jí)數(shù)、低芯損、長(zhǎng)壽命、低噪聲和轉(zhuǎn)速范圍寬等優(yōu)良特性，永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)，不受電機(jī)極數(shù)的影響，便于設(shè)計(jì)成多級(jí)電機(jī)，例如可以達(dá)100級(jí)以上，因此在低速環(huán)境下可以提供更大扭矩，從而提高電機(jī)性能。圖2和圖3分別是傳統(tǒng)無刷直驅(qū)電機(jī)極數(shù)和永磁同步電機(jī)極數(shù)圖。對(duì)于那些傳統(tǒng)需要通過減速機(jī)來驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電機(jī)，可以制造出直接應(yīng)用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去減速機(jī)，縮小動(dòng)力部分體積，消除傳動(dòng)損耗，提高傳動(dòng)效率。

圖2 傳統(tǒng)無刷直驅(qū)電機(jī)極數(shù)

圖3 永磁同步電機(jī)極數(shù)

2 變頻控制

隨著永磁無刷電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步以及國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求，為了能夠滿足更多操控性能復(fù)雜產(chǎn)品的需求，促使永磁直流無刷電機(jī)控制技術(shù)逐漸成熟。變頻器從二十世紀(jì)七十年代取得突破以來，經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，目前正朝著體積小型化、多功能化、高性能化、控制手段的全數(shù)字化、主控一體化及具有環(huán)保功能化方向發(fā)展[2]。將變頻器與永磁直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，其適用范圍更廣，節(jié)能環(huán)保效果更理想。

根據(jù)永磁無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，利用交流變頻調(diào)速是最方便和高效率的調(diào)速方法。通過控制永磁同步電機(jī)的輸入電流，從而改變定子的磁力方向，產(chǎn)生推動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而且可采用閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]，監(jiān)測(cè)和分析轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)功率及風(fēng)量。

變頻技術(shù)在大型永磁無刷風(fēng)扇上的運(yùn)用提高了自動(dòng)化水平，在保證空間通風(fēng)質(zhì)量的同時(shí)，達(dá)到了節(jié)能降耗和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。為大型永磁無刷風(fēng)扇配套的變頻器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢上升，以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；2)可以獲得很廣的調(diào)速范圍，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的自動(dòng)控制；3)由于采用頻率閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速可以跟著頻率變動(dòng)，防止振蕩和失步；4)調(diào)節(jié)精度較高，因此節(jié)能效果好，而且其運(yùn)行中的安全性能也非常高。

3 節(jié)能分析

永磁同步電機(jī)相比于異步電機(jī)的損耗更少。其中，定子銅耗相對(duì)于異步電機(jī)變化更少的原因是永磁同步電機(jī)定子電流減少。由于永磁同步電機(jī)是同步運(yùn)轉(zhuǎn)，無滑差，所以轉(zhuǎn)子鐵耗更少且?guī)缀鯖]有轉(zhuǎn)子銅耗。永磁同步電機(jī)采用了低損耗的硅鋼片，從而定子鐵耗少。永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁線圈，這樣也就避免了勵(lì)磁線圈的損耗。再加上永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)也相對(duì)較小，所以其總體損耗比異步電機(jī)大大降低，因而效率大大提高，因此永磁同步電機(jī)可達(dá)到一級(jí)能耗，相對(duì)于異步電機(jī)它的節(jié)能效果好[4]。

大型永磁無刷風(fēng)扇具有獨(dú)特的流線型扇葉設(shè)計(jì)，可以將阻力減至最小。這樣不僅能覆蓋大面積的范圍，而且轉(zhuǎn)速低，功率小，能將電能最高效地轉(zhuǎn)化為空氣的動(dòng)能，會(huì)為每個(gè)位置送來全方位的微風(fēng)。

另外，大型永磁無刷風(fēng)扇形成的氣流結(jié)構(gòu)和普通的小風(fēng)扇不同，小風(fēng)扇只能覆蓋風(fēng)扇直徑的范圍，而在一個(gè)開闊的場(chǎng)所，大型永磁無刷風(fēng)扇將氣流豎直推向地面，會(huì)在地面上形成1～3 m的氣流層，從而形成了不局限于此風(fēng)扇直徑下方的超大覆蓋面積。這樣就可以保證作業(yè)區(qū)內(nèi)通風(fēng)和干燥，所帶來的舒適度也是其它風(fēng)扇所無法比擬的。

以一臺(tái)直徑7.3 m的大型永磁無刷風(fēng)扇為例，其覆蓋的面積約為33個(gè)直徑為0.75 m小型風(fēng)扇的覆蓋面積，假如在一個(gè)9 000 m2的廠房里，希望達(dá)到全面覆蓋效果，需要小型風(fēng)扇約300臺(tái)，而采用直徑為7.3 m的大型永磁無刷風(fēng)扇僅僅需要9臺(tái)。按使用4年，每年運(yùn)行8個(gè)月，每天10 h計(jì)算，合計(jì)運(yùn)行約10 000 h，采用大型永磁無刷風(fēng)扇耗電為72 000 kW·h，而采用小型風(fēng)扇需耗電360 000 kW·h，相比于小型風(fēng)扇可節(jié)電288 000 kW·h，節(jié)能達(dá)80%。如果同時(shí)將此風(fēng)扇輔助空調(diào)使用，夏季，扇葉片正轉(zhuǎn)，能加快室內(nèi)冷氣的流動(dòng)，既能節(jié)省能源，還可以防止空調(diào)病；冬季，扇葉片反轉(zhuǎn)，能增強(qiáng)暖氣的對(duì)流，消除熱流分層，節(jié)省能源。據(jù)測(cè)算，采用大型永磁無刷風(fēng)扇配合空調(diào)使用節(jié)能可達(dá)30%以上。因此，從健康環(huán)保角度看，大型永磁無刷風(fēng)扇的市場(chǎng)潛力巨大。

4 結(jié)語

在堅(jiān)持綠色發(fā)展的今天，健康環(huán)保越來越成為大家關(guān)心的話題，發(fā)展通風(fēng)設(shè)備綠色產(chǎn)業(yè)的呼聲也越來越高。隨著永磁同步電機(jī)替代傳統(tǒng)交流異步電機(jī)的應(yīng)用，不僅可以省去減速機(jī)等傳動(dòng)裝置，而且可以大大縮小工業(yè)風(fēng)扇傳動(dòng)部件的體積，使工業(yè)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)更緊湊更合理。若再配合變頻控制技術(shù)，永磁無刷風(fēng)扇更能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，還可以取得較好的節(jié)能效果，但初投資費(fèi)用較高，因此，還需降低永磁無刷風(fēng)扇的制造成本，以適應(yīng)更廣范圍的需求。