变频调速技术在通风系统中的节能应用

变频调速技术在通风系统中的节能应用

巨景才

（中铁隧道集团二处有限公司河北省廊坊市065201）

摘要：本文介绍了变频调速技术在隧道施工普通通风机上的应用，对节能效果进行了分析，并对完善改进措施提出了建议。

关键词：变频调速；通风；效果

Abstract：Thisarticleintroducedthefrequencycontroltechnologyinthecommontunnelventilatortheapplication，analysestheenergysavingeffect，andproposedtheimprovementimprovementmeasure.

Keywords：frequencycontroltechnologyventilatoreffect

1引言

随着科学技术的不断发展和进步，变频器已成为企业中不可缺少的电气自动化设备之一，变频器通过改变异步电机定子侧的供电频率来改变同步转速从而实现调速。隧道施工通风机选型一般按照满足通风最困难时期的需风量进行选择的，现实情况中供风工况由易到难，需不断改变风机的出风量而达到通风控制的目的。传统意义上的变极调速不能实现，目前隧道施工用风机绝大多数为两速或三速电机，为实现无极控制风量和节能的效果，在无需更换电机的前提下，只需选择合适的变频器加以改装，即可实现客观的经济效益。这对改装当前隧道施工企业保有的大量普通风机，降低企业能耗、减少使用成本具有重要的现实意义。

2调速原理

2.1基本原理

根据三相异步电动机的工作原理，交流异步电机的转速表达公式（2-1）为：

（2-1）

式中：f为电源频率；p为异步电机磁极对数；s为电动机转差率；n为电机实际转速。

考虑到转差率s一般<1，所以当电机的极对数一定时，电机的转速和电机供电电源的频率成正比关系，因此可以通过调整供电电源的频率来控制三相异步电动机的轴转速。

2.2控制方式

变频调速控制方式大体分为两种，开环控制和闭环控制。普通的电压/频率（V/F）控制属于开环方式；闭环控制需要电动机轴转速反馈，控制方式包括转差频率控制、矢量控制等方式。

（1）V/F控制

异步电动机的转速由电源频率和极对数决定，改变频率可以改变电动机转速。但是频率的改变导致电动机内部阻抗也发生变化，因此单独改变频率会产生由弱励磁引起的转矩不足和由过励磁引起的磁饱和等现象，使电动机的功率因数和效率下降；V/F控制是改变输出频率的同时，必须控制变频器的输出电压，即使V/F为常值。

（2）转差频率控制

转差频率控制方式是在V/F控制方式的基础上发展起来的，需要检测出电动机的转速，然后以电机速度与转差率的和来给定变频器的输出频率。由于能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率，所以其加减特性和限制过电流的能力得到了提高，另外，它具有速度控制器，利用速度反馈进行速度闭环控制，可应用于自动控制系统。

（3）矢量控制

电机定子电流利用电磁感应作用在电气上被分解为磁场电流和垂直的转矩电流，矢量控制就是将定子电流分解成两种电流之后，分别进行控制，同时将二者合成的定子电流供给电机。

3节能原理

图3-1通风机风压-风量（H-Q）特性曲线图

由以上比例关系，可以看出风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果风机转速降低为原来转速的50%，则风量变为原来的50%，风压变为原来的25%，功率降低为原来的12.5%，这说明通过改变风机转速来实现风量控制的方式，可以节省很多的电能。

图3-2展示了通过闸板方式连续调节风量和变频调速方式调节风量电量消耗对比，低风量区间节能效果最佳。普通三速或者双速调节风机与变频调速风机的实际节能效果调速范围也要注意，当转速低于40%~50%时，采用变频设备效率将明显降低，一般控制在50%~70%。

4普通电机改装变频控制

近几年变频技术发展迅速，为实现无极控制供风量的目的，可以购置新变频设备，目前应用较广泛的有盖亚风机、驭创Zitron等，淘汰普通风机，但是这样经济损失较大。考虑目前隧道施工用风机大部分为普通电机，普通感应电机通过选择合适的变频器加以改装，即可实现想要的功能。普通电机因为仅按工频设计，相对变频电机来说，还是有所区别。从以下几点来分析改装变频是否可行：效率影响、电机温升影响、电机绝缘程度影响、噪声和振动影响、轴电流影响。

4.1电机温升和效率的影响

普通电机加装变频器后，运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%--20%。因此变频器选择时，其必须配有内部电抗器，减少和抑制谐波。

4.2电机振动和噪声的影响

普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。假如电动机工作频率范围出现共振，变频器可以将其频率段范围设置成“危险频率”，使得电机运行时跨越这段速度区间。

4.3电机冷却风扇散热效果的影响。

异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较低时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机在转速降低时，冷却风量与转速成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升增加。但是对于离心类（通风机）变转矩负载一般不存在散热问题，（必要时可以配置风机散热，此类情况一般不会出现），根据现场实际情况，可以选择设定适当的“下限频率”值，设置电机的最低转速。

4.4电机绝缘强度问题的影响

目前中小型变频器，不少是采用PWM（脉宽调制）的控制方式。其载波频率约为几十到几千赫兹，分为升频调速和降频调速，对于升频调速而言，使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化，因此升频调速的电机必须选择专用电机，普通电机无法满足其要求。隧道用风机是为最难供风工况下选型的风机，一般为降频调速，只需在0-50Hz区间工作，且加装的变频器要有电抗器，能抑制和减少谐波影响。

4.5轴电流影响

电动机运行时，转轴两端之间或轴与轴承之间产生的电位差叫做轴电压，若轴两端通过电机机座等构成回路，则轴电压形成了轴电流。轴电压是伴随着旋转电机的产生就存在的。在正常情况下，电动机的轴电压较低，轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用，不会产生轴电流。但当轴电压较高，或电机起动瞬间油膜未稳定形成时，轴电压将使润滑油膜放电击穿形成回路产生轴电流。轴电流局部放电能量释放产生的高温，可以融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域，并形成“搓衣板”式密密的凹槽条纹，从而产生噪声、振动，若不能及时发现处理将导致轴承失效，对生产带来极大影响。

但是轴电流形成必须要具备一个条件是，轴承的绝缘（润滑油膜）破坏，给轴电流提供了通路，所以普通电机改装变频控制之后，要多加注意电机轴承润滑情况。当用变频器供电时，系统正确接地、合理选用电抗器、dV/dt滤波器以及考虑变频器与电机间电缆的驻波效应（电磁干扰），尽量缩短变频器与电动机间的电缆长度等措施都能减小轴电流影响。

综合以上几点出发，通风机的普通电机在降频调速使用时，选择具有电抗器、dV/dt滤波器、设置危险频率、设置工作频率范围功能的变频器均可以实现理想效果，达到节能降耗的目的。

5变频器选型、安装及参数设置

5.1变频器选型

隧道通风电机我们选择了ABB品牌的ACS510，此型号对多水泵工作、恒压供水，冷却风机、地铁和隧道通风机做了重点优化，具有以下特点：完美匹配风机水泵、高级控制盘、用于降低谐波的专利技术、变感式电抗器、循环软起、用户自定义U/F曲线、超越模式、危险频率、内置RFI滤波器作为标准配置，电磁干扰方面适用于第一和第二环境。

变频器选型根据驱动电机的额定电流值，额定功率，查找各个变频器型号的额定容量参数，完成初步选型。下表5-1列举了380-480V变频器常用型号及其容量。

表5-1变频器容量

当变频器安装环境或者使用的开关频率变化时，变频器需要降容使用：①上表中变频器容量是在温度40℃时的参数值，温度每增加1℃，额定输出电流降低1%，实际输出电流按照表中给出的数值乘以降容因子来计算。②海拔降容：变频器额定容量是1000米海拔以下的参数值，如果海拔在1000-2000米，每升高100米降容1%，电流计算方法与温度降容相同。③开关频率降容：开关频率大小决定变频后电压波形平滑性好坏的程度，开关频率越高意味着更低的噪音。默认开关频率为1kHz或4KHz，若要求变频器在8KHz的开关频率运行则降容因子为0.8，若要求变频器在12KHz的开关频率运行则降容因子为0.65。

5.2变频器电磁干扰

变频器要求安装在无尘，无水气，无腐蚀的环境中，并在变频器本身上下左右周围留有一定的空间，有利散热。条件好的话最好能安装在特定的配电房内，并配有恒温设备，因为变频器本身也有发热，其电子元件会受温度的影响，如果其散热片上积尘多散热不好的话，会加剧变频器的损坏。由于变频器本身是个干扰源，所以它产生的电磁干扰对其周围会有一定的影响，ACS510电磁干扰适用于IEC标准的C1和C2类环境。

一般其它品牌的变频器安装过程中，可以通过一下几种方式降低电磁干扰。

（1）选择阻抗大的变压器。

（2）安装电抗器。

①输入电抗器。

②在直流环节串联直流电抗器。

③）输出电抗器（电机电抗器）。

（3）调节变频器的载波比。

（4）选用适当滤波器。

ABB旗下的ACS510变频器输入功率电缆无需安装RFI、EMC滤波器。

5.3变频器安装

（1）输入功率电缆连接

电源至变频器之间输入功率电缆选择四芯电缆。

（2）电机电缆连接

变频器的电源输出侧，即电机电缆选用带屏蔽的三芯或四芯对称电缆，其优点是电缆上的电磁干拢是对称的，相互加以抵消。

5.4变频器常用参数设定

变频器的输入功率、电机电缆、PE线、控制线缆安装完成之后，需要对变频器的常用参数进行设定，按照变频器说明书进行参数设定即可。

变频器参数设定完，即可投入正常运行，具体可参考各个品牌变频器的相关要求。

6应用实例节能分析

某铁路隧道6#斜井承担2.2km正洞施工，6#斜井进入正洞之后分进口和出口两个方向施工，采用2台咸阳产秦鹏华翼风机，电机功率为2*30/2*110kw，电机转速为960/1480r/min，机械送风式供风。2016年8月底，对进口方向供风的风机进行变频改造，变频器采用ABB品牌的ACS510-01-195A-4-R6型，尺寸为888*400*302，其中连续电流有效值为205A，工作电源频率10-50HZ，支持设备功率110kw，调速区间为296-1480r/min，可实现区间段无极调速，供风量选择范围大大增加。

综合风机规格型号、电机参数、管网阻力、供风效果等因素，下表6-1列举了9-11月份变频改造风机和未进行变频改造的风机的电能消耗和运转小时（以下统计的运转时间是通风机两台电机运转时间之和），以单位运转小时电能消耗为指标，对节能效果进行分析，变频改造节能可达39.08%

7结束语

7.1需要不断增加应用实例以便对不同电机的变频改造适应性进行验证，积累更多的经验，提高普通风机变频改造后的安全性、稳定性和适应性。

7.2基于PLC和触摸屏的交流变频调速系统的应用可以大幅提高目前隧道施工企业保有的普通风机的性能，降低工程成本，提高企业效益。

7.3隧道通风控制系统可以向组合控制、智能控制发展，通过采集隧道内人数、车辆数量、CO浓度、CO2浓度、NOX浓度、H2S浓度、SO2浓度、含氧量、温度、瓦斯、风量参数、爆破冲击波和粉尘浓度等数据，通过对PLC技术，变频器技术，触摸屏技术的综合应用而完成自动控制。既节约了大量能源，又可以达到更好的通风效果，提高隧道施工的人性化水平。如下图7-1所示的框图对隧道通风完成自动控制。

参考文献：

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[4]屠大燕.流体力学与流体机械[M].北京，中国建筑工业出版社，2008.

[5]低压交流传动ACS510-01变频器（1.1-160kw）用户手册.