离心式引风机用变频调速技术的节能分析

2018-08-02高君

机械管理开发 2018年7期

关键词：离心式变频风量

高君

（山西平舒煤业有限责任公司，山西晋中 045400）

引言

离心式引风机是重要的生产设备，用于向作业系统提供足够的高压风。传统的离心式引风机主要是通过风门调解风量，容易出现风门卡死等故障，生产效率低下，且产生巨大的电能消耗。变频调速技术的出现，有效解决了这一难题，应给予广泛关注和应用。

1 在离心式引风机中应用变频调节节能技术的必要性

在变频调节中，变频器是关键，它合理地应用于微电子技术以及变频技术，并对电机工作频率进行实时监控。一旦发现电机工作时的频率出现问题，应及时调整，以此来更好地对电动机以及相关电力设备进行控制。基于我国可持续发展战略的要求，在各项生产中要求实现节能设计。以电解槽供料系统为例，在作业过程中需要启用36台离心式引风机进行高压风供给。产生大量的能源消耗，如果能够在离心式引风机中实现变频控制将能够很好地节约能源，具有极大的改造价值，对产业的可持续发展和核心竞争力的提升有重要意义[1]。

2 变频调节技术的工作原理

变频调节技术中变频器是核心。变频器主要由整流、逆变以及单元检测几个环节构成，通过对电源频率的合理调节从而实现对电压具体数值的更改，达到节能环保的目的。在风机与泵类进行系统工作时，变频调速起到了极为明显的作用。这也是我国环保部门极力推荐变频调速在鼓风机中运用的主要原因。对于交流电机的转速n而言，其公式为

其中：np为极对数，f为定子供电频率，s为转速差。

通过公式（1）可以表明，三相交流电动机转矩是决定变频调速的主要指标。要控制电机的转速，需对两个参数进行控制，一方面要对供电频率进行有效调节，另一方面要对供电电压进行有效调节。只有双管齐下，才能有效保证变频调速可以正常有序地运行在电动机的工作中。测试功率为16 kW的风机，对其进风量和转速进行调节，并测定实际数据（见表1、表 2）[2]。

表1 风量变量下测试数据

表2 转速变量下测试数据

3 变频调节技术与负载的关系

3.1 恒转矩类负载的节能分析

空气、介质对机械的阻力和转速的关系如公式（2）所示：

式中：k代表比例系数。风机上轴承形成摩擦力矩，具有反抗性复杂，外加力矩需要对这一反抗性复杂进行克服从而实现风机转动。那么在实际工作条件下风机的负载转矩公式为：

式中：M代表负载转矩，m为摩擦力矩。那么在假设电动机的输入功率与装置的轴功率相等的条件下，排除风机装置功效的影响，风机的定速运转转变为流量调解转速就可以实现风机运转节能的需求。

3.2 离心式风机负载节能的分析

根据过往的工作数据，参考风机功率曲线，可以发现风机特性公式：

式中：Pw为风机电动机轴功率，Q为风机流量，p为风压。

与此同时，对于节能原理来讲，设定电动机的转速分别为 n1、n2，对应的流量分别为 Q1、Q2。则可获得对应公式：

进行具体数值带入可知，当转速比原转速降低了10%，功率比原来下降了30%。根据公式能耗W=Pt。那么设定做功时间均为t，可得出：

也就是说对于风量较大的风机采用变频调解替代风门进行风量调节将能够有效实现变频节能。

4 基于变频调节技术的离心式引风机的优化改造

图1为现用离心式引风机的结构。根据上述变频调节的原理来看，风机改造无需进行全面改造，仅需要在风机电动机上增加调速装置，实现变频调节[3]。

图1 离心引风机结构示意图

其具体的工作原理就是将溜槽的实际风压经反馈后送入比较器与给定电压进行比较。当存在风压不足时，利用PID的参数调整实现电压上升，进而使VVVF的频率增加，实现转速调整，从而加大引风机的风量高攻击，情况相反时，则降低电压，减少风量，从而保持恒压供风的稳定性。设计压力传感器对管道压力进行测算。当需求流量下降后，调节转速可以节约大量的能源。具体控制流程如图2所示。

在了解了变频器的具体原理后，需要对变频器进行合理选型，才能保证变频调解效果达到最优化。根据经验公式：

式中：P为机械要求输出功率，kW；n为机械转速；T为机械最大转矩。

那么根据公式（9）可知，为了达到良好的变频效果，必须满足以下条件：变频器的额定电流A及输出功率P变应稍大于电机的额定电流A1及P电。

5 变频调节技术在离心式引风机的节能效果分析

图2 风机变频调节的具体控制流程

对某应用了变频调节技术的离心式引风机进行实测效果分析，按照引风机实际工作电流44 A计算，年运转周期为360天的境况下，调速范围控制在30～50 Hz之间，平均可节约电能超过250 000 kWh，根据按照电价0.25元/kWh来计算，平均每台风机年节约电费62 000元以上。根据公式W=Pt进行计算，现有的调解控制方式较原有的控制方法节约电能10%～15%，满足节能需求，符合绿色生产的理念。