風機高壓變頻調速改造及節能原理
摘要：風機在由定速改造調速運行后，在輸出相同流量同時節約大量的能源，了解其原理和計算模型。
關鍵詞：軸功率；風阻特性
1 引言
在工業生產和產品加工制造業中，風機設備應用范圍廣泛；其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節流損失以及維護、維修費用占到生產成本的7%~25%，是一筆不小的生產費用開支。隨著經濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節能降耗業已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一。
目前，變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要發展方向。它的卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善現有設備的運行工況，提高系統的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現。
2 風機的參數及特性
2.1 風機的基本參數
(1) 風量Q—單位時間流過風機的空氣量(m3/s，m3/min，m3/h)；
(2) 風壓H—當空氣流過風機時，風機給予每立方米空氣的總能量(kg·m)稱為風機的全壓Ht(kg·m/m3)，其由靜壓Hs和動壓Hd組成。即Ht=Hs+Hd；
(3) 軸功率P—風機工作有效的總功率，又稱空氣功率；
(4) 效率η—風機軸上的功率P除去損失掉的部分功率后剩下的風機內功率與風機軸上的功率P之比，稱為風機的效率。
2.2 風機的相似理論
風機的流量，運行壓力，軸功率這三個基本參數與轉速間的運算公式極其復雜，同時風機類負荷隨環境變化參數也隨之變化，在工程中一般根據風機的運行曲線，進行大致的參數運算，稱之為風機相似理論：
Q/Qo=n/no
H/Ho=(n/n0o)2(ρ/ρo)
P/P0=(n/no)3(ρ/ρo)
式中：Q—風機流量；
H—風機全壓；
n—轉速；
ρ—介質密度；
P— 軸功率。
風量Q與電機轉速n成正比，Q∝n；風壓H與電機轉速n的平方成正比，H∝n2；軸功率P與電機轉速n的立方成正比，P∝n3。
2.3 電動機容量的計算
式中：P—風機電動機所需的輸出軸功率(kW)；
Q—風機風量(m3/s)；
H—風機風壓(kg/m2)；
ηr—傳動裝置的效率，直接傳動為1.0，皮帶傳動為0.9~0.98，齒輪傳動為0.96~0.98；
ηF—風機的效率；
102—由kg·m/s變換為kW的單位變換系數。
3 風機調節輸出風量的方法
3.1 通過改變風機的管網特性曲線來實現對風機的風量的調節
這種辦法是通過調節擋風板的開關程度來實現的，如圖1所示。
圖1 不同管網的特性曲線風機風量的特性曲線
風機檔板開度一定時，風機在管網特性曲線R1工作時，工況點為M1，其風量、風壓分別為Q1、H1，其輸出流量是Q1。
將風機的擋板關小，管網特性曲線變為R2，工況點移至M2，風量、壓力變為Q2、H2，其輸出流量是Q2。
將風機的擋板再關小，管網特性曲線變為R3，工況點移至M3，風量、壓力變為Q3、H3，其輸出流量是Q3。
從上面的曲線分析，通過調速風機檔板的開度，管網的特性參數將發生變化，輸出流量發生變化，這樣就達到了在定速運行時調節風機輸出流量的目標。
在調節風機流量的過程中，而風機的性能曲線(H-Q曲線)不變，工況點沿著風機的性能曲線(H-Q曲線)由M1移到M2，特性曲線由R1變為R2，風機輸出流量由Q1變為Q2，這種方法結構簡單，操作容易。目前多數風機都采用這種方法，但是由于風機的內部壓力由H1變為H2，這樣，在流量減少的同時，壓力同時上升，在檔板上消耗了大量的無效軸功率，極大地降低了風機的轉換效率，浪費了大量的能源。
3.2 通過改變風機葉片的角度來實現對風機的風量調節
當風機管網性能曲線不變時，通過改變風機葉片的角度，使風機的特性曲線(H-Q曲線)改變，工況點將沿著管網特性曲線移動，達到調節風量的目的。
如圖2所示，風機葉片角度為α1時，M1點是原來工況點，其風量、風壓分別為Q1、H1；風機葉片角度為α2時，風機性能曲線(H—Q曲線)由α1線變為α2線，與管網特性曲線相交于M2，風量、風壓變為Q2、H2；風機葉片角度為α3時，風機性能曲線(H—Q曲線)由α2線變為α3線，與管網特性曲線相交于M3，風量、風壓變為Q3、H3。
圖2 不同風機葉片的角度時風機風量的特性曲線
在這種調節風量的方法中，管網特性曲線不變，通過風機葉片角度的變化，調節風機性能(H—Q曲線)，從而達到調節風機風量的目的。
這樣，在調低流量的同時，風機內部壓力也隨之下降，具有很好的節電效果。但是這種方法使風機葉輪結構復雜，調節機構磨損較大。同時，調節葉片角度必須停機進行，無法在需要風機進行連續運行、連續調節的場合。
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