风机变频控制在地铁的应用

周勇义

摘要：本文介绍典型地铁车站常用风机工作特点,根据流量、压力、转速与功率的关系，分析温度调节风量满足使用达到节能以及节能效益规模。

关键词：地铁 风机 变频 节能

Abstract: introducing main fans of metro, According to between power & air volume &pressure&rpd, analyses the energy saving & cost saving by tuning the air volume.Key word metro, fan, VFD, energy saving

TS737+.1

1. 成都地铁通风空调系统简介

地铁车站通风空调系统分为车站通风空调和隧道通风系统。车站通风空调又可分为公共区和设备管理用房。隧道分为区间隧道与车站轨行区。成都地铁隧道通风系统的特点是轨行区排热风机与区间隧道风机共设。成都地铁的公共区通风空调系统特点是将车站按南北对称划分为两套对称的通风空调系统，每套系统有一台组合式空调机和回排风机，共同承担从引入新风、排风、回风与送风。运行时包含以下工况：

（1）正常运行时，组合空调通过送风向工作区域输送冷量，带来室外的新鲜空气。回排风机将室内高温高湿的空气一部分送回到空调机，一部分排向室外。隧道风机对隧道和车站轨行区通风排热等。

（2）列车阻塞在区间隧道时，隧道风机有组织的向阻塞区间送风或排风。

（3）地铁车站发生火灾时，根据火灾发生的部位，隧道风机，回排风机全速运转，排烟与通风。

2.常用风机介绍

各种风机在地铁中扮演了不同的角色，本文主要对功率大、使用多的风机进行分析。主要有组合空调风机、回排风机、隧道风机。

2.1.组合空调风机

将经过过滤、降温除湿后的空气经风机增压，送往各区域。由于冷量与送风量成正比，可以调节风机送风量来调节冷量，达到节能的目的。

地铁典型车站有两台60000m3/h、风压为1000-1200Pa的组合空调机，电机功率约37kw。其运行特点如下：

(1) 夏季时，早、中、晚气温不同，负荷变化导致送风量发生变化；天气变化引起负荷变化；节假日、重大活动，客流变化导致的负荷变化；经计算，负荷一般在30%-100%变化，风量也在30%-100%变化。

（2）过渡季节时，室外温度低于室内温度，此时不需要表冷器降温，只需组合空调机送新风，此时的风量在额定风量的10-100%，低速运行的时间多。采用变频调速很适合。

2.2回排风（兼排烟）风机

回排风机将空调区域的空气通过回排风管送回组合空调回风箱或排向室外。典型车站回排风机风量60000m3/h，功率37Kw。回排风机与组合式空调器送风机运行时对应的，运行特点类似空调送风机。

2.3.隧道风机

地铁隧道风机运行特点如下：

(1)隧道通风机兼轨行区排热。隧道通风排烟时排风量约60m3/s, 区间隧道通风时额定风量约55m3/s, 轨行区排热时额定风量约45-50m3/s。一台风机运行多种风量的特点决定了适合采用变频调速控制。

（2）早晚换气时，全速运行。实际使用时，初期客流密度较小，可按小风量运行；中期客流密度较大，可按中风量运行；远期客流密度高，可按额定风量运行。风量在额定风量的50-100%变化。

（3）夏季运行时，隧道高温时开启风机排风降温。风机的运行风量可根据隧道温度与温升速度决定运行风量，风量主要在30-100%变化。

（4）灾害时，对隧道进行通风、排烟，此时需要隧道风机全速运转。

（5）兼轨行区排热时，风量也可由温度与温升速度决定运行风量，风量在30-100%变化。适合采用变频调速

3. 风机变频调速的节能原理

n1——风机在额定转速运行时的特性曲线；

n2——风机降速运行在n2转速时的特性曲线；

R1——风机管路阻力最小时的阻力特性；

R2——风机管路阻力增大到另一的阻力特性。

风机在管路最小阻力R1工作时，工况点为A，其流量压力为Q1、H1，此时风机所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。比如隧道风机由隧道通风工况调整到轨行区排热时，风量减小到Q2，通常的做法是通过关闭阀门增大管路阻力，来调整风量的，使风机的工作点移到R2上的B点，风压增大到H2，这时风机所需的功率正比H2Q2的面积，即正比于BH2OQ2的面积，显然风机所需的功率增大了。这种调节方式控制簡单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的，如图所示的CH3H2BC区域。

当风机的转速从nl变为n2时，Q、H、P变化关系为（表1）

Q2=Q1*(n2／n1) ；

H2=H1*(n2／n1)2；

P2=P1*(n2／n1)3；

Q一风量 H一风压 P—风机功率

通过以上分析，风机转速降到额定转速的50%时，节能相当显著，所需功率仅为额定风量时的12.5%，节能87.5%。实际运行中，负荷和风量为额定的50%以下的情况较多，节能效果很容易实现。

4.地铁车站各风机的变频调速方案

4.1组合空调风机的变频调速

地铁车站组合空调风机的额定送风量是由额定冷量与送风温差确定的。每天早中晚和季节变化等所需要的冷量不同，风量也在变化，地铁公共区空调冷量也不停的变化，由于送风温差稳定，为了达到冷量与风量的平衡，风系统就成了变风量系统。变风量包括通过阀门调节管路阻力和通过变频调节转速，如图1风机风量与风压关系图。阀门调节管路阻力为R1-R2特性曲线过程，变频调节为n1-n2特性曲线过程。显然采用变频调速要节能的多。

4.1.1 恒温控制下的PID调节（图2）

风机的转速的调节方式可以采用经典的调节方式：PID模糊调节。

这里介绍一下PID调节的特点。PID调节是根据系统的误差，利用比例P、积分I、微分D计算控制量进行控制的。当传感器采集的被测温度偏离给定值时，PID程序根据测量信号与给定值的偏差进行比例、积分、微分运算，输出恰当的控制信号给执行机构（如变频器），提高或降低转速，逐渐使测量值室温靠拢给定值，达到自动恒温控制。

公共区温度与设定温度之间的偏差和偏差变化量作为输入量，输出控制量为电源频率f，从而控制风机转速，改变风量和进入室内的冷量。地铁车站属于舒适性空调系统，设计温度27℃、28℃都有，为了控制的方便可以引入较低的控制精度要求，如26℃±2℃时，这个稳态误差是完全可以接受的。

如图2，PID控制面板图所示，PV为公共区温度反馈值，SP为温度目标设定值，CV为PID输出值。PID调节过程可以采用自动或手动调节方式。采用自动时，PID调节自适应方式调节；采用手动时可以手动设置P、I、D值以及最大CV与最小CV值，能更快紧急干预纠正自动适应调节反应慢半拍的情况。

地铁车站组合空调采用恒温PID调节方式控制风机的转速，很好的解决了公共区温度控制与机组送风量调节之间的逻辑关系，即用目标控制值室内温度直接作为控制变频器频率的比较值。

4.1.2节能效果

年供冷通风按180天，每天运行10小时，电费按0.6元/kwh。考虑负荷变化，空调送风量在30-100%，计算实际运行总风量约为全部额定风量运行的0.65。设电机全速风量为电机额定功率的0.9，则全速时的功率为P=74×0.9kw=66.6kw。变频后功率为风量调整后的功率：74×0.653=20.32kw。

不采用变频调速的年运行耗电：180×10×66.6=119880kwh；

不采用变频调速的年运行费用：119880×0.6=71928元；

变频后年运行耗电：180×10×66.6=36580kwh；变频年运行费用：21948元；

年节省电量为： 83300kwh；年节省费用为：49980元；

4.2回排风机的变频控制

回排风机的总风量和运行特点与组合空调风机的运行保持一致，日常运行时与空调风机的基本一致，变频方式与节能效果也相似，这里不再赘述。

4.3隧道风机的变频控制

4.3.1 成都地铁隧道风机的变频控制原理

地铁隧道风机日常运行的主要特点：早晚隧道换气，隧道（包括车站轨行区的隧道）温度过高时的排风降温，灾害时的排烟送风等。可以发现隧道风机使用最频繁的是：隧道温度过高，风机启动排风降温。因此隧道风机平常使用时控制原理可采用：在隧道的最有代表性的地方布置几个温度传感器，通过实时监控隧道的温度信号，传到PLC，通过与PLC预设的目标值进行比较、计算后，向变频器输出4-20ma或0-10V信号控制变频器的输出频率，调整风机电机的转速，达到节能运行的目的。风机变频的变频控制回路可以设置为（如图5）

4.3.2 节能效果

年通风365天，每天运行2小时，电费同上。隧道风机风量在100-30%之间变化，综合后的总运转平均风量约为70%。设电机全速供风量时电机额定功率的0.9，则全速的功率为P=360×0.9kw=324kw。变频后的综合功率为：360×0.73=123.5kw。

不采用变频调速的年运行耗电：365×2×324=236520KWh；

不采用变频调速的年运行费用：236520×0.6=141912元；

变频后年运行耗电：365×2×123.5=90155KWh；变频年运行费用：54093元；

年节省电量：146365KWh；年节省费用为：87819元.

5综合节能效果与其他

5.1综合节能效果

（1）综合以上，仅一个车站的组合空调风机、回排风机、隧道风机，年节省约15万元，15年寿命周期节省约231万元。风机变频前后对比见表4

（2）不考虑风量和设备台数的变化，成都地铁全线17个车站，仅采用风機变频调速年节省运行费用约：262万元。此外，成都地铁水泵也采用了变频调速控制。

5.2 风机采用变频后的其他影响

（1）变频器的软启动将使启动电流大为减少，减轻对电网的冲击。采用变频器容易解决降压启动、正/反向运转，控制系统简单也减少故障率。

（2）变频器产生的高次谐波影响电器设备的正常工作，可通过变频器的隔离、屏蔽、接地，配交流电抗器和直流电抗器，无源滤波器等方法解决。

（3）风机变速运行时，应注意避开风机产生喘振的转速区段。

（4）变频器已经大量应用在电力、军事、通信等关键设备的启动、调速中，非常成熟可靠，并没有因变频器故障影响的正常生产。变频器与断路器、接触器等元件可靠性相比，有过之无不及。

6.结论

综上所述，在地铁车站中变频器应用在风机、水泵等的电机调速，采用合理的设计和更优的控制模式，能节省大量的运行费用。变频器的应用也将更加广泛。

参考文献：

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黄翔. 空调工程[M]. 北京：机械工业出版社，2008,01

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程玉华. 西门子S7- 200 工程应用实例分析[M]. 北京：电子工业出版社，2008,01

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。