变频器在风机调速系统中的应用

变频器在风机调速系统中的应用

摘要：该文介绍了风机变频调速的驱动机理和运行特性，说明其具有改善电机工作状态，节能降耗的优良性能，从而降低相关企业的运行成本。

关键词：风机变频调速节能

Abstract：This paper introduces the mechanism and operation characteristics of VVVF, that can improve the motor working state, the excellent performance of saving energy and reducing consumption, reduce the operating costs of enterprises.

Keywords：VVVF energy saving

风机设备在工矿企业中得到广泛应用。传统的控制方式是不管生产过程对风量的需求量，风机始终处于额定工作状态恒速运转，输出恒定的风量，并通过调节挡风板或风门的开度来改变风量或流量的大小。这种控制方式虽然简单易行，但从节能的角度来看是不经济的。统计显示，生产成本的7%～25%被消耗在挡风板或风门及其维护上，造成了大量的能源浪费和设备损耗，同时使控制精度也受到限制，影响产品质量和生产效率。采用变频器驱动风机设备运行，通过改变风机转速来调节流量的方案，可以大大降低功率损耗，延长设备使用寿命，达到系统高效运行的目的。

1 风机变频调速的驱动机理

随着变频技术的日益成熟，变频器在风机控制系统中的应用也越来越多，甚至许多厂家都生产有廉价的风机专用变频器以供择用。交流异步电机的转速为n=(60f(1-s))/p，当磁极对数p和转差频率s恒定时，电机转速n只与电源频率f成正比，只要改变电源频率f即可改变电动机的转速。当电源频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速就在0～nN之间调节。变频器就是通过改变电动机电源频率来实现速度调节的，是理想高效的调速手段。

风机负载的最大特点是轴转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。其关系可表示为Tl=To+KyN2L和Pl=Po+Kpn3L，式中Tl、pL分别为电动机轴上的转矩和功率，To、Po分别为电动机的空载转矩和空载损耗，Kt、Kp分别为电动机轴上的转矩和功率，Nl为电动机转速。因此，当工作过程需要风量减少时，降低转速可使功率消耗减小很多。例如，当需要风量下降到额定需求的80％时，通过变频器内预置的参数驱动电机转速也下降到额定转速的80％，则风机的轴功率要下降到原值的（80％）[3]，即51.2％，考虑电机空载损耗等影响，其节能也接近40%。可见其节能效果十分显著。

2 变频调速的运行特性

变频器是一种利用电力半导体器件的频繁通断将工频交流电变换为频率在一定范围内可调的交流电的电能转换装置。它能根据工况对控制风量大小的要求输出合适的频率使风机获得相应的转速，其工作特定如下：（1）可实现无级调速。使用变频器调速时，电动机的机械特性属硬特性且基本平行，具有调速范围宽，转速稳定性好的特点。并能获得理想的低速输出转矩和低速过载能力。（2）改善电机的启动性能。变频器具有软启动功能，可以避免工频启动时浪涌电流对电机等电网设备的冲击所造成的不良影响，减小电源容量的同时，也减小了风机的机械损耗。（3）运转状态灵活多样。可以手动控制，也可以实现自动控制；可以构成开环控制系统，也可以构成闭环控制系统。（4）保护功能齐全。通过对变频器的参数设置获得过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能。（5）节能效果显著。风机的轴功率与电机转速的立方成正比，采用变频器对风机的转速进行调节，可以大大减少风机轴功率的消耗，节约用户成本。

3 风机变频调速的控制原理

一般而言，风机处于正转工作状态。考虑到变频器发生故障时风机必须继续保持工作状态，还应设计风机在变频器故障时由变频运行强行切换到工频运行的工作电路。其主电路原理图如图1所示。

由图1可知，通过断路器QF接入三相工频电源，接触器KM1将电源引至变频器的输入端（R、S、T端），变频器的输出端（U、V、W端）通过接触器KM2与驱动风机的电动机相连。接触器KM3则将三相工频电源直接引至电动机，以便在需要时切换到工频运行状态。正向启动控制端子FWD通过凸轮转换开关SA1与公共端CM相连以保证电动机正转单向运行。在模拟信号输出端FMA和GND端之间跨接频率表，用于监视变频器的运行频率。数字量输入端X4、X5通过凸轮转换开关SA2与公共端CM相连，若凸轮转换开关SA2接至“1”挡使X4与公共端CM接通，则控制输出频率降低；若凸轮转换开关SA2接至“2”挡使X5与公共端CM接通，则控制输出频率增大；若凸轮转换开关SA2接至空挡，则控制输出频率保持。熔断器FU和热继电器FR串接于电路中分别用于线路的短路保护和过载保护。必须指出，接触器KM1、KM2必须有可靠的互锁以避免同时导通而造成严重短路的后果。

为了配合硬件电路实现对风机的变频调速控制，还要对变频器的内部功能参数做适当的设置，以森兰BT40S系列变频器为例，其内部主要功能参数预置为：（1）F01=3，设置X4、X5作为变频器输出频率的外控加、减频率端子来使用，加减速时间固定为第1加减速时

间，X4为递减，X5为递增。（2）F02=1，设置变频器的运行状态由外部端子FWD、REV来控制，且变频器面板上的STOP按键仍有效。（3）F08和F09分别为加速时间1和减速时间1，其设置范围为0.1～3600s，用户可根据实际需求来确定该值。（4）F21=50，设置风机上限运行频率为fH=50Hz。（5）F22=20，设置风机下限运行频率为fZ=20Hz。（6）F43=4，设置电机极数为4极。（7）F69=1，实现频率外控功能的辅助设置。（8）F73=0，设置变频器的FMA输出为频率。

4 节能效果分析

假定某工业锅炉使用的风机额定功率为30?kW，全天连续运行，其中每天有12小时运行在90%负荷状态（变频器带动风机的运行频率以46Hz计），有12?h运行在50%负荷状态（变频器带动风机的运行频率以20Hz计），全年运行时间以280天计算，则变频器调速时全年节电量为：

若按0.5元/度计算，则每年可节省电费58328.5元。可见，节能效果和经济效益相当可观，通常在1年左右就能收回利用变频器用于