風機節能中高壓變頻技術的應用

宋瑞軍

（山煤集團霍爾辛赫煤業有限公司， 山西 長治 046600）

引言

工業耗能是我國總能源消耗中占比非常大的部分，而工業生產中的風機又是耗電大戶，在當前國家重視可持續發展的背景下，降低工業生產中的能耗，是降低我國總能耗以實現可持續發展的關鍵。而工業生產中的風機很大一部分能耗是無用功，因此提升風機的效率才是降低工業生產耗能的關鍵。而高壓變頻技術適用于對電氣設備的節能，因此研究高壓變頻技術在風機節能中的應用，對于降低工業耗能和實現國家可持續發展具有重要意義。

1 高壓變頻器在風機中的應用方案

1.1 風機高壓變頻調整方案

1.1.1 一拖一動

一拖一動方案的原理如圖1 所示，其中QS1、QS2與QS3為高壓隔離開關，這三個開關在工作時不能出現全部閉合的狀態。在進行變頻調節時，QS3斷開，其他兩個開關閉合，此時變頻器開始工作，對風機進行變頻調節，但當變頻器故障或需要對風機進行檢修時，則將QS3閉合，另兩個開關斷開，此時變頻器電路切斷停止工作，風機恢復到工頻運行狀態。此狀態下風機的工作方式與未進行改造前一致，但檢修員可以進行風機或變頻器的檢修工作，從而確保檢修人員的安全，防止觸電事故。

1.1.2 一拖二動

一拖二動方案如圖2 所示，QS1-QS6為高壓隔離開關，其中QS2與QS3、QS5、QS6存在電氣鎖，而QS1與QS4-QS6存在機械鎖。而M1和M2則為風機的變頻與工頻運行部分，這種方案在保留一拖一動的優勢時還可以延長電動機的使用壽命。

1.2 調整后的效果

該企業最終選擇一拖二動方案改造風機，該風機原先以最大功率240 kW 運行，根據測算，電動機在通風壓力較大的時段時，工作效率大約為75%，但當通風壓力較小時，電動機的工作效率只有30%。而改造完畢后，電動機在通風壓力較小時可自動降低轉速，從而提升工況點，經過測算，改造后的電動機在通風壓力較小時的工作效率提升到了65%，相較于之前有顯著提升。節電量方面，改造前該風機全年平均耗電量為3.36×106kWh，而改造后則降低到了2.31×106kWh，節電效果達31%，可以證明高壓變頻技術在風機節能方面具有顯著效果。

圖1 一拖一動方案示意圖

圖2 一拖二動方案示意圖

1.3 經濟效益

1.3.1 電費

按照電費平均0.5 元/kWh 計算，改造后每年可以節省電費52 萬元，而安裝變頻器所需的經費，包括購買變頻器以及安裝所需的人工費、交通費等共計130 萬元，則該企業在第三年時便可以通過節省的電費收回成本，而變頻器的實際工作壽命遠超過此，因此高壓變頻技術可長期為該企業創造經濟效益。

1.3.2 隱形成本

在應用高壓變頻技術后，除了可以節省電費外，還可以有效延長風機的工作壽命，按照原先風機以最大功率工作時的壽命計算，采用高壓變頻技術最多可以延長風機工作壽命達30%。此外，風機工作中故障率降低可以節省大量維修成本和因風機停機影響生產所需的成本，這些成本雖然無法計算，但確實可以為企業帶來巨大的經濟效益。

2 煤炭企業高壓變頻風機的應用經驗

2.1 管道“塌料”導致風機過流的防止

煤炭企業用于排煙的風機經常出現因粉塵吸附導致的管道內粉塵增多，當粉塵增多到一定程度時，便會嚴重干擾風機的正常運轉，使風機內部出現高溫負荷，進而導致風機停機。

目前對于煤炭企業工業生產所用的風機采用國內研發的“瞬態尖峰負荷差分控制技術”，利用高壓變頻器對風機的軟硬件進行優化調節，通過控制風機的運轉負荷的方式，避免了風機長時間高負荷運轉導致的管道內灰塵堵塞而引起停機現象，保障了煤炭企業的正常生產。

2.2 對原配液耦和水阻的處理

在利用高壓變頻器進行風機的改造時，可根據風機轉子結構的不同選擇適合的安裝方式。采用繞線式電機轉子的風機，可采用將轉子短接的方式，使轉子的滑環中不通過電流，降低了轉子因電流過大而燒毀的概率；而對于采用液力耦合器風機，可利用與之規格相近的聯軸器代替液力耦合器，在實際安裝高壓變頻器時，僅需將原先的液力耦合器拆除后安裝制定的聯軸器即可完成工作。這種安裝方式對風機電機以及其他部分的改動幅度較小，安裝的成本較低，對風機運行的調試也更加方便。

一般的風機在安裝高壓變頻器后應當調整轉子與液力耦合器，但對于高溫風機來說，可以依舊采用轉子與液力耦合器作為后備手段，當高壓變頻器出現問題時，可以作為確保風機在工頻狀態下運行的條件。

2.3 新安裝風機電機的選擇

在風機中安裝級聯式高壓變頻器后，在后續安裝新的風機時，其電機可以選擇普通型號的異步電機，而無需選擇專用的變頻電機。具備變頻功能的電機的采購成本要遠高于一般的異步電機，而級聯式高壓變頻器具備動態調節普通異步電機的功率的能力，而國內所生產的主流的高壓變頻器采用的電路拓撲結構使得其所產生的電流諧波較小，滿足一般電機的工作需求。此外，對于一般的工業企業來說，當風機的運轉速度在其額定轉速的50%以上時，風機一般無需額外的散熱措施，使用普通的異步電機能夠顯著節省成本。

2.4 電源質量對高壓變頻器的影響

煤炭企業一般在遠離城市的偏遠區域，經常出現供電問題，供電的質量往往不高，以此在對風機進行高壓變頻技術的應用時，需要考慮到其電源適應性的問題。而目前國內所生產的高壓變頻器中采用的電路拓撲技術可以較好地解決因電源不穩定導致的高壓變頻器工作問題。采用電路拓撲技術的高壓變頻器具備單元故障旁路、工頻旁路、停電自動啟動、相間短路保護等技術，可保證高壓變頻器工作在電源質量不穩定的地區，滿足不同行業的工業生產對設備的可靠性要求。

2.5 高壓變頻器的諧波干擾

輸入高壓變頻器中的電流往往帶有諧波，而這些諧波如果不加處理，可能會對變頻器造成干擾，如果輸入變頻器的電流諧波過大，可能造成供電系統的繼電保護裝置的誤動作，導致大面積停電；對生產區域內的其他電子設備造成影響，使計算機之類的電子設備無法正常工作，干擾生產作業的進行；使電容、電動機等電氣設備產生諧波效應，增大其功耗，浪費電能或導致元器件因過熱損壞等，因此在應用高壓變頻器時，必須嚴格控制輸入電流的諧波[1-2]。

對于輸入變頻器的電流，應當保證其穩態總諧波含量不超過10%，奇次諧波不超過5%，偶次則不超過2%。同時，對高壓變頻器的控制線接地，在布線是注意相鄰線路間的距離不要過小，對于靠近儀表等電子元件的線路應當加裝屏蔽線等。

3 結語

高壓變頻技術是一種應用于電氣設備的變頻節能技術，因此對高壓變頻技術在風機中的應用進行了研究。高壓變頻技術在電動機變頻中的方式有一拖一動和一拖二動兩種。以當地某工業企業的鍋爐風機為例，采用一拖二動方案對其進行改造，改造后風機節電量達31%，可為該企業帶來顯著的經濟效益。并在改造完成后總結了對風機使用高壓變頻器的若干經驗，希望能夠為其他工業企業風機的應用提供參考。