淺談變頻技術在風機節能改造中的應用

李潔

【摘 要】簡單的介紹了風機變頻節能原理、特點及適用范圍，同時對變頻調速的特點、節能的原理進行了闡述。

【關鍵詞】風機；節能；調節

風機節能，即是對風機進行變頻調速的改造，改造后的風機能達到一定程度上的節能，節能效率通常在20%～50%。風機是火電廠運行的主要設備，耗電量占廠用電的30%左右，其運行調節方式通常是通過調節檔板、閥門開度來調節風量。這種調節方式其驅動電動機的輸出功率不隨機組負荷的變化進行調節，所以大量電能消耗在節流損失中，如此長期運行，造成輔機單耗大，效率低，設備損耗大，穩定性差，嚴重影響了機組運行的經濟性和可靠性。因此，對風機進行節能改造，是節約風機能效的主要途徑。

風機節能工作應從三個方面開展：研制高效節能風機；合理選型和管道的合理匹配；合理的調節方式。使用高效風機并與管路的合理匹配已基本實現，但是，隨著火力發電機組的調峰任務越來越多，風機在變工況的條件下，單利用高效風機與管路的合理匹配已不能使風機的運行效率得到進一步提高，因此，就需要采用合理的風機調節式。隨著電力電子技術、計算機控制技術的飛速發展，變頻調速技術已進入大功率、高性能的發展階段。變頻調速技術的主要特點是效率高、調節精度高、自動化程度高、節能效果顯著。

一、風機在不同頻率下的節能率

采用變頻器對風機進行控制，屬于減少空氣動力的節電方法，它和一般常用的調節風門控制風量的方法比較，具有明顯的節電效果。

從流體力學原理得知，風機風量與電機轉速功率相關：風機的風量與風機（電機）的轉速成正比，風機的風壓與風機（電機）的轉速的平方成正比，風機的軸功率等于風量與風壓的乘積，故風機的軸功率與風機（電機）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）。

根據上述原理可知改變風機的轉速就可改變風機的功率。

二、變頻調速的原理

通常空調設備只能按設計的額定功率運行。當負荷降低時，設備仍然按照額定功率全負荷輸出運行，這必然造成能量的浪費。采用變頻調速器根據交流感應電動機的工作原因，進行連續平滑的功率和速度調節來節能。交流感應電動機的轉速n=60f/p（p為電機定子的磁極對數，f為電源頻率Hz），從而可以看出，在P固定不變的情況下，交流電動機轉速n與頻率f成正比關系。變頻器就是將標準的交流電轉換成頻率和電壓可調的交流電供給電機，并對電機轉速進行調節的裝置。電機在改變轉速的同時，保持其固有特性不變。采用變頻技術對風機進行流量調節，不僅避免了由于采用檔板或閥門造成的電能浪費，而且還會極大提高控制和調節精度，非常方便地實現了空調系統的溫度調節、恒壓供水系統及一切電機拖動系統可變負載的速度調節，從而達到節約電能，增加經濟效益，降低企業成本的目的。據調查統計，目前我國使用的風機大約有25%-40%的能量是無謂地消耗掉了。因此，風機系統的變頻節能的潛力是巨大的。

三、變頻器調速的特點

（1）調速范圍廣。可應用于異步電動機實現無級調速；高壓大容量變頻器可以做到在0～100%額定轉速范圍內任意調節。

（2）調節精度高、效率高，沒有附加損耗，在正常調速范圍內，變頻裝置的總效率在93%以上，功率因數超過0.95。

（3）可實現真正的軟啟動，并且啟動轉矩大、啟動電流小。

（4）設備發生故障時可隨時切換以保持運轉，適用于不允許停機的場合。

（5）容易實現生產過程的自動控制及遠程控制。

（6）變頻器預留有控制接口，能為機組實現計算機優化控制提供方便。

（7）體積小，便于安裝、調試、維修。

四、風機變頻調速系統設計

（1）設備選擇

通常在變頻調速系統設計中，風機容量的選擇主要依據被控對象對流量或壓力的需求，可查閱相關的設計手冊。如果是對使用中的風機進行變頻調速技術改造，風機就無需更換。風機在某一轉速下運行時，其阻轉矩一般不會發生變化，只要轉速不超過額定值，電動機也不會過載，一般變頻器在出廠標注的額定容量都具有一定的余量，所以選擇變頻器容量與所驅動的電動機容量相同即可。

（2）運行控制方式選擇

風機采用變頻調整控制后，可依據風機在低速運行時，阻轉矩很小，不存在低頻時帶不動負載的問題，故采用V/F控制方式即可。從節能的角度考慮V/F線可選最低的。因此，在低頻運行時，電動機的轉矩與負載轉矩相比，具有較大的余量為了節能，變頻器設置了若干低減V/F線一般變頻器出廠時設置為轉矩補償曲線，即頻率fx=0時，補償電壓Ux為一定值，以適應低速時需要較大轉矩的負載。但這種設置不適宜風機負載，因為風機低速時阻轉矩很小，即使不補償，電動機輸出的電磁轉矩也足以帶動負載。為了節能，風機應采用負補償的V/F曲線，這種曲線是在低速時減少電壓Ux，因此，也叫低減V/F曲線如果用戶對變頻器出廠時設置的轉矩補償V/F改變，就直接接上風機運行，節能效果就比較差了，甚至在個別情況下，還可能出現低頻運行時因勵磁電流過大而跳閘的現象。

（3）變頻器的參數預置

風機的機械特性具有二次方律特性，所以當轉速超過額定轉速時，阻轉矩將增大很多，容易使電動機和變頻器處于過載狀態。因此，上限頻率不應超過額定頻率。下限頻率從特性或工況來說，風機對下限頻率沒有要求，但轉速太低時，風量太小，在多數情況下無實際意義。一般可預置為某一定值。加、減速時間風機的慣性很大，加速時間過短，容易產生過電流；減速時間短，容易引起過電壓。一般風機啟動和停止的次數很少，啟動時間和停止時間不會影響正常生產。所以加減速時間可以設置得長些，具體時間可根據風機的容量大小而定。通常是風機容量越大，加、減時間設置越長。加、減速方式風機在低速時阻轉矩很小，隨著轉速的升高，阻轉矩增大得很快；反之，在停機開始時，由于慣性的原因，轉速下降慢。所以，加、減速方式以半S式比較適宜。回避頻率風機在較高速運行時，由于阻轉矩較大，容易在某一轉速下發生機械諧振。遇到機械諧振時，極易造成機械事故或設備損壞，因此，必須考慮設置回避頻率。可采用試驗的方法進行預置，即反復緩慢地在設定的頻率范圍內進行調節，觀察產生諧振的頻率范圍，然后進行回避頻率設置。啟動前的直流制動為保證電動機在零速狀態下啟動。許多變頻器具有“啟動前的直流制動”功能設置。這是因為風機在停機后，其風葉常常因自然風處于反轉狀態，這時讓風機啟動，則電動機處于反接制動狀態，會產生很大的沖擊電流。為避免此類情況出現，要進行“啟動前的直流制動”功能設置。

五、結論

變頻調速控制技術在風機節能應用中，具有其他調節方式不可比擬的優勢。在風機耗電量占有巨大比例的電站中，利用變頻調速技術，既可提高設備效率，又滿足了生產工藝的要求，大大減少了設備維護、維修費用，經濟效益十分明顯，加強節能方法的應用在以后的生產過程中具有重大的意義。

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