变频器在风机节能降耗改造中的应用
2019-7-29 来源： 珠海罗西尼表业有限公司 作者：卞 劲松
【摘 要】 风机设备调节工业生产所需风量采用变频技术，是实现风机节能降耗的一种主要途径。本文通过对风机能耗分析，进而介绍变频器对风机控制系统的节能改造，给出节能估算方法。
【关建词】 风机能耗分析；风机变频节能原理；节能估算
节能降耗是我们国家重要国策。节能降耗不仅给企业带来很好的经济效益，也是积极响应国家号召，建设资源节约型社会是构建社会主义和谐社会必然选择。风机类设备是企业生产重要辅助设备，耗电量大、能耗高是其特点。风机选型是按其满负荷计算，但在实际工作中，风机一般采用恒速控制风速、风量，如生产工艺发生变化需要控制调节风量、风速大小，常用方法是调节风门、闸门的开度等来进行控制，这就造成大量电能消耗在档板上，运行效率低，能源消耗高。
变频器是可以调节交流电动机转速速度变化的控制设备，它通过改变电机工作电源频率的方法来实现。对风机而言，利用变频器调节风机风速，优化风机运行状态，达到节能降耗是其重要途径。
1 、风机能耗分析
风机是通过加大气体压力（风压）之差排送气体的设备。风机在低转速时转矩小，其转矩的大小随风机转速变化成二次方增减，负载属于平方转矩型。其特点是风机的转速 N 与风量 Q成正比，风压 p 与转速 N 的平方成正比，轴功率 P 与转速 N 的立方成正比，即：
图1中，N1：风机变频状态（降速）运行时的特性；N2：风机在额定频率状态（额定转速）运行时的特性；1 ：凤机管网阻力最小阻力特性；2 ：风机管网阻力增加阻力特性。图1表示，曲线1与曲线N 2交叉点A为自然工作点，其风机工作状态为额定转速，风门开度最大。其风量和风压分别是 Q2和 p2，此时风机轴功率跟 Q2与 p2的乘积（Ap20Q2的面积）是正比关系。按照生产工艺要求需要风量从Q2降到Q1时，有两种实现方法。
1.1 控制风门开度
风机在额定转速状态下，调节（降低）风门开度大小，增加了风机管路阻力，风机的工作点A点移到曲线2上的B 点。可以看出，风量下降到Q1，风压也随之增大到p3。风机轴功率跟Q1和p3的乘积（Bp30Q1的面积）是正比关系，因为风机一直在额定转速状态下，轴功率从风量跟分压的乘积（面积）来看也变化不多，电能消耗在档板上，没有节能效果。
1.2 变频调速控制
若风机的转速由变频器控制，风机转速下降，工作特性由曲线N2下降到曲线N1，风门开度（最大）不变，管网阻力也不变，流量仍是 Q1，相应工作点由 A 点移到 C 点，风压由 p2降到 p1，此时风机轴功率跟 Q1与 p1的乘积（Cp10Q1的面积）成正比。例如，风机所需风量下降到70%，由风机负载特性可知：风量与转速成正比，转速也相应下降到 70%，轴功率与转速的立方成正比，轴功率：P=N3=(70%)3=34.3%，由此轴功率下降到额定功率的 34.3% ，若风机所需风量下降到 50%，轴功率将下降到额定功率的12.5%。得出风机转速下降时，风量也相应减少，其功率下降很多，节能效果显著。
2 、变频器调速原理、应用及节能分析
2.1 变频器调速原理
工业生产所用风机是三相交流异步电机。电机的电源频率和转速关系用下面公式表示：
s：风机转差率；p：电动机极对数。由上式可知，改变电机电源频率相应转速也发生变化。在风机传动系统中，用变频器调节电机转速就是通过改变电源频率，进而达到改变风量大小的目的。
2.2 变频器应用实例
图2 为风机变频器控制电路。该应用采用变频调速调节风量。由于变频起动是在一定时间平滑启动，没有冲击电流，实现电机软启停，减少起动过程对供电线路的冲击，降低了起动过程的能耗。该控制电路实现调节风机风速，达到生产工艺所需风量，具有风量调节精度高，调速范围大，风机起制动方便灵活，操作简单，能耗低等优点。该控制系统由于繁杂的人工操作风门机构被取消，使管网通行无阻，风量损失同时也减少了，降低了风机的能耗,提高了系统的节能效果。
2.3 变频器节能分析估算
如果采用变频器对风机类设备进行调速控制，GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的节能量（节电率）计算公式，即：PL=[0.45+0.55(Q/QN)2]PE式中，PL：风机采用变频器控制后所需输入功率，单位：KW；PE：风机额定流量所需输入功率，单位：KW；Q：实际风量，单位：m3/min；Qn：额定风量, 单位：m3/min。若风量的调节范围（0.5～1）QN，则节能量：Ki= Δ Pi/PL=[PL-PE(Q/QN)3]/PL=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]假如风机的实际风量与额定风量之比为0.7，现采用变频器调速，则节能量：Ki=1-（0.7）3/[0.45+0.55(0.7)3]=1-0.54=0.46节能量为46%。
3 、结语
风机控制系统采用变频器控制风量、风速，免去了繁琐人工调节风门的操作，提高了劳动生产率，降低了能耗。因此风机节能降耗方面。采用变频器改造具有显著效果。
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