淺談變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用

李潔

【摘 要】簡單的介紹了風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能原理、特點(diǎn)及適用范圍，同時(shí)對(duì)變頻調(diào)速的特點(diǎn)、節(jié)能的原理進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)；節(jié)能；調(diào)節(jié)

風(fēng)機(jī)節(jié)能，即是對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的改造，改造后的風(fēng)機(jī)能達(dá)到一定程度上的節(jié)能，節(jié)能效率通常在20%～50%。風(fēng)機(jī)是火電廠運(yùn)行的主要設(shè)備，耗電量占廠用電的30%左右，其運(yùn)行調(diào)節(jié)方式通常是通過調(diào)節(jié)檔板、閥門開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量。這種調(diào)節(jié)方式其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率不隨機(jī)組負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以大量電能消耗在節(jié)流損失中，如此長期運(yùn)行，造成輔機(jī)單耗大，效率低，設(shè)備損耗大，穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，是節(jié)約風(fēng)機(jī)能效的主要途徑。

風(fēng)機(jī)節(jié)能工作應(yīng)從三個(gè)方面開展：研制高效節(jié)能風(fēng)機(jī)；合理選型和管道的合理匹配；合理的調(diào)節(jié)方式。使用高效風(fēng)機(jī)并與管路的合理匹配已基本實(shí)現(xiàn)，但是，隨著火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰任務(wù)越來越多，風(fēng)機(jī)在變工況的條件下，單利用高效風(fēng)機(jī)與管路的合理匹配已不能使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率得到進(jìn)一步提高，因此，就需要采用合理的風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)式。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已進(jìn)入大功率、高性能的發(fā)展階段。變頻調(diào)速技術(shù)的主要特點(diǎn)是效率高、調(diào)節(jié)精度高、自動(dòng)化程度高、節(jié)能效果顯著。

一、風(fēng)機(jī)在不同頻率下的節(jié)能率

采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，屬于減少空氣動(dòng)力的節(jié)電方法，它和一般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)門控制風(fēng)量的方法比較，具有明顯的節(jié)電效果。

從流體力學(xué)原理得知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速功率相關(guān)：風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機(jī)的軸功率等于風(fēng)量與風(fēng)壓的乘積，故風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即風(fēng)機(jī)的軸功率與供電頻率的三次方成正比）。

根據(jù)上述原理可知改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機(jī)的功率。

二、變頻調(diào)速的原理

通?？照{(diào)設(shè)備只能按設(shè)計(jì)的額定功率運(yùn)行。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，設(shè)備仍然按照額定功率全負(fù)荷輸出運(yùn)行，這必然造成能量的浪費(fèi)。采用變頻調(diào)速器根據(jù)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原因，進(jìn)行連續(xù)平滑的功率和速度調(diào)節(jié)來節(jié)能。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60f/p（p為電機(jī)定子的磁極對(duì)數(shù)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比關(guān)系。變頻器就是將標(biāo)準(zhǔn)的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電供給電機(jī)，并對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。電機(jī)在改變轉(zhuǎn)速的同時(shí)，保持其固有特性不變。采用變頻技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，不僅避免了由于采用檔板或閥門造成的電能浪費(fèi)，而且還會(huì)極大提高控制和調(diào)節(jié)精度，非常方便地實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)、恒壓供水系統(tǒng)及一切電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)可變負(fù)載的速度調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)約電能，增加經(jīng)濟(jì)效益，降低企業(yè)成本的目的。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前我國使用的風(fēng)機(jī)大約有25%-40%的能量是無謂地消耗掉了。因此，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的變頻節(jié)能的潛力是巨大的。

三、變頻器調(diào)速的特點(diǎn)

（1）調(diào)速范圍廣。可應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；高壓大容量變頻器可以做到在0～100%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

（2）調(diào)節(jié)精度高、效率高，沒有附加損耗，在正常調(diào)速范圍內(nèi)，變頻裝置的總效率在93%以上，功率因數(shù)超過0.95。

（3）可實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，并且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小。

（4）設(shè)備發(fā)生故障時(shí)可隨時(shí)切換以保持運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于不允許停機(jī)的場合。

（5）容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制。

（6）變頻器預(yù)留有控制接口，能為機(jī)組實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制提供方便。

（7）體積小，便于安裝、調(diào)試、維修。

四、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備選擇

通常在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)容量的選擇主要依據(jù)被控對(duì)象對(duì)流量或壓力的需求，可查閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。如果是對(duì)使用中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，風(fēng)機(jī)就無需更換。風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其阻轉(zhuǎn)矩一般不會(huì)發(fā)生變化，只要轉(zhuǎn)速不超過額定值，電動(dòng)機(jī)也不會(huì)過載，一般變頻器在出廠標(biāo)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(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量相同即可。

（2）運(yùn)行控制方式選擇

風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)整控制后，可依據(jù)風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩很小，不存在低頻時(shí)帶不動(dòng)負(fù)載的問題，故采用V/F控制方式即可。從節(jié)能的角度考慮V/F線可選最低的。因此，在低頻運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相比，具有較大的余量為了節(jié)能，變頻器設(shè)置了若干低減V/F線一般變頻器出廠時(shí)設(shè)置為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線，即頻率fx=0時(shí)，補(bǔ)償電壓Ux為一定值，以適應(yīng)低速時(shí)需要較大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。但這種設(shè)置不適宜風(fēng)機(jī)負(fù)載，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)低速時(shí)阻轉(zhuǎn)矩很小，即使不補(bǔ)償，電動(dòng)機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩也足以帶動(dòng)負(fù)載。為了節(jié)能，風(fēng)機(jī)應(yīng)采用負(fù)補(bǔ)償?shù)腣/F曲線，這種曲線是在低速時(shí)減少電壓Ux，因此，也叫低減V/F曲線如果用戶對(duì)變頻器出廠時(shí)設(shè)置的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償V/F改變，就直接接上風(fēng)機(jī)運(yùn)行，節(jié)能效果就比較差了，甚至在個(gè)別情況下，還可能出現(xiàn)低頻運(yùn)行時(shí)因勵(lì)磁電流過大而跳閘的現(xiàn)象。

（3）變頻器的參數(shù)預(yù)置

風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性具有二次方律特性，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩將增大很多，容易使電動(dòng)機(jī)和變頻器處于過載狀態(tài)。因此，上限頻率不應(yīng)超過額定頻率。下限頻率從特性或工況來說，風(fēng)機(jī)對(duì)下限頻率沒有要求，但轉(zhuǎn)速太低時(shí)，風(fēng)量太小，在多數(shù)情況下無實(shí)際意義。一般可預(yù)置為某一定值。加、減速時(shí)間風(fēng)機(jī)的慣性很大，加速時(shí)間過短，容易產(chǎn)生過電流；減速時(shí)間短，容易引起過電壓。一般風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和停止的次數(shù)很少，啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間不會(huì)影響正常生產(chǎn)。所以加減速時(shí)間可以設(shè)置得長些，具體時(shí)間可根據(jù)風(fēng)機(jī)的容量大小而定。通常是風(fēng)機(jī)容量越大，加、減時(shí)間設(shè)置越長。加、減速方式風(fēng)機(jī)在低速時(shí)阻轉(zhuǎn)矩很小，隨著轉(zhuǎn)速的升高，阻轉(zhuǎn)矩增大得很快；反之，在停機(jī)開始時(shí)，由于慣性的原因，轉(zhuǎn)速下降慢。所以，加、減速方式以半S式比較適宜?；乇茴l率風(fēng)機(jī)在較高速運(yùn)行時(shí)，由于阻轉(zhuǎn)矩較大，容易在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)生機(jī)械諧振。遇到機(jī)械諧振時(shí)，極易造成機(jī)械事故或設(shè)備損壞，因此，必須考慮設(shè)置回避頻率?？刹捎迷囼?yàn)的方法進(jìn)行預(yù)置，即反復(fù)緩慢地在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察產(chǎn)生諧振的頻率范圍，然后進(jìn)行回避頻率設(shè)置。啟動(dòng)前的直流制動(dòng)為保證電動(dòng)機(jī)在零速狀態(tài)下啟動(dòng)。許多變頻器具有“啟動(dòng)前的直流制動(dòng)”功能設(shè)置。這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)在停機(jī)后，其風(fēng)葉常常因自然風(fēng)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時(shí)讓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，則電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。為避免此類情況出現(xiàn)，要進(jìn)行“啟動(dòng)前的直流制動(dòng)”功能設(shè)置。

五、結(jié)論

變頻調(diào)速控制技術(shù)在風(fēng)機(jī)節(jié)能應(yīng)用中，具有其他調(diào)節(jié)方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在風(fēng)機(jī)耗電量占有巨大比例的電站中，利用變頻調(diào)速技術(shù)，既可提高設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝的要求，大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，加強(qiáng)節(jié)能方法的應(yīng)用在以后的生產(chǎn)過程中具有重大的意義。

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