變頻器在風機節(jié)能降耗改造中的應(yīng)用
2019-7-29 來源： 珠海羅西尼表業(yè)有限公司 作者：卞 勁松
【摘 要】 風機設(shè)備調(diào)節(jié)工業(yè)生產(chǎn)所需風量采用變頻技術(shù)，是實現(xiàn)風機節(jié)能降耗的一種主要途徑。本文通過對風機能耗分析，進而介紹變頻器對風機控制系統(tǒng)的節(jié)能改造，給出節(jié)能估算方法。
【關(guān)建詞】 風機能耗分析；風機變頻節(jié)能原理；節(jié)能估算
節(jié)能降耗是我們國家重要國策。節(jié)能降耗不僅給企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟效益，也是積極響應(yīng)國家號召，建設(shè)資源節(jié)約型社會是構(gòu)建社會主義和諧社會必然選擇。風機類設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)重要輔助設(shè)備，耗電量大、能耗高是其特點。風機選型是按其滿負荷計算，但在實際工作中，風機一般采用恒速控制風速、風量，如生產(chǎn)工藝發(fā)生變化需要控制調(diào)節(jié)風量、風速大小，常用方法是調(diào)節(jié)風門、閘門的開度等來進行控制，這就造成大量電能消耗在檔板上，運行效率低，能源消耗高。
變頻器是可以調(diào)節(jié)交流電動機轉(zhuǎn)速速度變化的控制設(shè)備，它通過改變電機工作電源頻率的方法來實現(xiàn)。對風機而言，利用變頻器調(diào)節(jié)風機風速，優(yōu)化風機運行狀態(tài)，達到節(jié)能降耗是其重要途徑。
1 、風機能耗分析
風機是通過加大氣體壓力（風壓）之差排送氣體的設(shè)備。風機在低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩小，其轉(zhuǎn)矩的大小隨風機轉(zhuǎn)速變化成二次方增減，負載屬于平方轉(zhuǎn)矩型。其特點是風機的轉(zhuǎn)速 N 與風量 Q成正比，風壓 p 與轉(zhuǎn)速 N 的平方成正比，軸功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 的立方成正比，即：
圖1中，N1：風機變頻狀態(tài)（降速）運行時的特性；N2：風機在額定頻率狀態(tài)（額定轉(zhuǎn)速）運行時的特性；1 ：鳳機管網(wǎng)阻力最小阻力特性；2 ：風機管網(wǎng)阻力增加阻力特性。圖1表示，曲線1與曲線N 2交叉點A為自然工作點，其風機工作狀態(tài)為額定轉(zhuǎn)速，風門開度最大。其風量和風壓分別是 Q2和 p2，此時風機軸功率跟 Q2與 p2的乘積（Ap20Q2的面積）是正比關(guān)系。按照生產(chǎn)工藝要求需要風量從Q2降到Q1時，有兩種實現(xiàn)方法。
1.1 控制風門開度
風機在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，調(diào)節(jié)（降低）風門開度大小，增加了風機管路阻力，風機的工作點A點移到曲線2上的B 點。可以看出，風量下降到Q1，風壓也隨之增大到p3。風機軸功率跟Q1和p3的乘積（Bp30Q1的面積）是正比關(guān)系，因為風機一直在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，軸功率從風量跟分壓的乘積（面積）來看也變化不多，電能消耗在檔板上，沒有節(jié)能效果。
1.2 變頻調(diào)速控制
若風機的轉(zhuǎn)速由變頻器控制，風機轉(zhuǎn)速下降，工作特性由曲線N2下降到曲線N1，風門開度（最大）不變，管網(wǎng)阻力也不變，流量仍是 Q1，相應(yīng)工作點由 A 點移到 C 點，風壓由 p2降到 p1，此時風機軸功率跟 Q1與 p1的乘積（Cp10Q1的面積）成正比。例如，風機所需風量下降到70%，由風機負載特性可知：風量與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)下降到 70%，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，軸功率：P=N3=(70%)3=34.3%，由此軸功率下降到額定功率的 34.3% ，若風機所需風量下降到 50%，軸功率將下降到額定功率的12.5%。得出風機轉(zhuǎn)速下降時，風量也相應(yīng)減少，其功率下降很多，節(jié)能效果顯著。
2 、變頻器調(diào)速原理、應(yīng)用及節(jié)能分析
2.1 變頻器調(diào)速原理
工業(yè)生產(chǎn)所用風機是三相交流異步電機。電機的電源頻率和轉(zhuǎn)速關(guān)系用下面公式表示：
s：風機轉(zhuǎn)差率；p：電動機極對數(shù)。由上式可知，改變電機電源頻率相應(yīng)轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化。在風機傳動系統(tǒng)中，用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速就是通過改變電源頻率，進而達到改變風量大小的目的。
2.2 變頻器應(yīng)用實例
圖2 為風機變頻器控制電路。該應(yīng)用采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風量。由于變頻起動是在一定時間平滑啟動，沒有沖擊電流，實現(xiàn)電機軟啟停，減少起動過程對供電線路的沖擊，降低了起動過程的能耗。該控制電路實現(xiàn)調(diào)節(jié)風機風速，達到生產(chǎn)工藝所需風量，具有風量調(diào)節(jié)精度高，調(diào)速范圍大，風機起制動方便靈活，操作簡單，能耗低等優(yōu)點。該控制系統(tǒng)由于繁雜的人工操作風門機構(gòu)被取消，使管網(wǎng)通行無阻，風量損失同時也減少了，降低了風機的能耗,提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果。
2.3 變頻器節(jié)能分析估算
如果采用變頻器對風機類設(shè)備進行調(diào)速控制，GB12497《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南中的節(jié)能量（節(jié)電率）計算公式，即：PL=[0.45+0.55(Q/QN)2]PE式中，PL：風機采用變頻器控制后所需輸入功率，單位：KW；PE：風機額定流量所需輸入功率，單位：KW；Q：實際風量，單位：m3/min；Qn：額定風量, 單位：m3/min。若風量的調(diào)節(jié)范圍（0.5～1）QN，則節(jié)能量：Ki= Δ Pi/PL=[PL-PE(Q/QN)3]/PL=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]假如風機的實際風量與額定風量之比為0.7，現(xiàn)采用變頻器調(diào)速，則節(jié)能量：Ki=1-（0.7）3/[0.45+0.55(0.7)3]=1-0.54=0.46節(jié)能量為46%。
3 、結(jié)語
風機控制系統(tǒng)采用變頻器控制風量、風速，免去了繁瑣人工調(diào)節(jié)風門的操作，提高了勞動生產(chǎn)率，降低了能耗。因此風機節(jié)能降耗方面。采用變頻器改造具有顯著效果。
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