鋒速達通風降溫系統
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車間房頂通風設備_變頻器在風機產品試車臺上的應用羅茨風機為何
2000年5月8日收到沈陽市021變頻器在風機產品試車臺上的應用齊振邦沈陽鼓風機廠介紹了用變頻器取代液力耦合器和傳動皮帶做風機出廠試驗的實踐。提出了用一套變頻裝置滿足不同額定轉速的風機試車要求的措施。探討了試車時電動機溫升特點及原因，提出用加大電動機機座號的辦法，綜合解決高次諧波和超速運轉對電動機的影響。
1996年，我國風機行業第一套采用變頻器調速的風機產品試車裝置，在我廠投入運行。經過4年運行證明，這套變頻調速裝置完全適合風機葉片拉力試驗和機械運轉試驗和超速試驗，滿足測試精度需要，極大地提高了勞動生產率。
一、課題的提出我廠引進丹麥的軸流通風機，出廠前需做葉片拉力試驗、機械運轉試驗。原有試車工藝是：葉片拉力試驗和機械運轉試驗用液力耦合器調速，超速試驗用皮帶傳動。液力耦合器和傳動皮帶安裝、調試和拆卸花費大量工時。液力耦合器轉速不穩定和轉速漂移，給測試造成很大困難。為此，提出改進試車工藝，穩定轉速及降低工時的課題。
二、方案選擇這里論證了4種解決方案。
1.機械變速方案。在風機與電動機之間加裝變速箱，不同額定轉速的風機，配置不同的齒輪對。此方案雖能解決穩定轉速的問題，但齒輪對種類多，造價高，更換齒輪對需要花費大量工時。因而，此方案被否定。
2.電動機串級調速方案。串調裝置只能從額定轉速向低速調節，不能超過額定轉速，超速試驗仍需加裝齒輪變速箱，不僅造價高，工時也沒有省下來。因而，此方案也被否定。
3.繞線式電動機串電阻調速方案。此方案雖然可以利用現有電機，但在調速方面存在與串級調速同樣的缺點，并且，在電阻上消耗大量能量，效率低。因而，此方案也被否定。
4.變頻器調速方案。只需將風機與電動機直接聯接，即可進行各種試驗，縮短了試車準備工時，變頻器采用數字控制，使風機穩定在所需的任何轉速，其頻率分辨率，用操作盤輸入時為0. 1Hz，用計算機接口輸入時為0. 01Hz其頻率精度，對最高輸出頻率為±0. 5 ，完全能滿足產品出廠試驗的要求。
經過反復比較，最終確定用變頻器調速方案。
變頻器選用控制的通用變頻器，與采用轉矩矢量控制和近年推出的直接轉矩控制的新型變頻器相比，雖然轉矩控制精度和響應速度稍差，但完全能滿足風機出廠試驗的各種要求，并具有結構變頻器在風機產品試車臺上的應用簡單、價格便宜的優勢。
三、變頻調速時電動機轉矩特性按照我國電網頻率標準，將變頻器弱磁點設定在頻率50Hz.變頻器輸出頻率50Hz及以下時，采用V /F=常數的控制方式，電動機磁通不變，輸出轉矩呈恒轉矩特性，輸出功率與轉速成比例下降。
變頻器輸出頻率50Hz以上時，采用電壓U=常數的控制方式，電動機磁通隨頻率F增加而減少，呈弱磁狀態，輸出轉矩呈恒功率特性。
葉片拉力試驗時，風機在30至50額定轉速下運行，轉矩按與轉速二次方成比例下降，軸功率按與轉速三次方成比例下降。顯然，電動機的轉矩和功率完全能滿足風機的需要。
機械運轉試驗時，風機在額定轉速下運行。變頻器輸出頻率50Hz，電動機相當于在工頻50Hz電源下運行，可以輸出額定轉矩和功率。
超速試驗時，風機在額定轉速下運行，軸功率按與轉速三次方成比例上升。若軸功率不超過電動機額定功率，可以直接做超速運轉若軸功率超過電動機額定功率，須將轉子密封，確保電動機不超載。
以上分析表明，變頻調速時電動機的轉矩特性，完全可以滿足風機各項試驗的要求。
四、用一套變頻裝置滿足不同額定轉速的風機試驗要求的措施變頻器輸出頻率在50Hz及以下時，電動機的轉矩呈恒轉矩特性，功率與轉速成比例下降。這種特性用于生產過程中，控制一臺風機調速運行是非常適宜的。但在風機制造廠，各種不同轉速的風機都需要試驗，功率相同的風機，額定轉速越低，需要的轉矩越大。變頻試驗裝置，若按滿足高轉速風機試驗要求配置電動機，則低速運行時，輸出功率與轉速成比例下降，無法滿足其他低速風機試驗要求若按滿足低轉速風機試驗要求配置電動機，則其他高轉速風機試驗時，電動機將超轉速運行，安全無保障。
從經濟角度出發，不可能一種轉速的風機配一套變頻試驗裝置。怎樣用一套變頻裝置滿足不同額定轉速的風機試驗要求，找不到可供借鑒的文獻，需要研究解決。
某電氣傳動研究所提出的解決方案是：用一臺1600kW變頻器，配一臺1500kW標準電動機，某鋼鐵設計研究總院與某特種電機廠聯合提出的解決方案是：用一臺500kW專用變頻器，配一臺500kW恒功率電動機，保證在各種試驗轉速下，有近似恒功率輸出。
這兩種方案都因價格太高和技術不成熟而被否定。
經反復研究,換氣負壓風機，筆者提出用一臺280kW通用變頻器，配置4臺功率與變頻器功率基本相同，但極數不同的鼠籠型電動機的方案。
這4臺電動機不同時運行。試車裝配時，根據風機額定轉速，選擇對應極數的電動機，與風機直接聯接。變頻器輸出頻率50Hz時，各臺電動機都能在額定轉速下運行，允許輸出額定功率，滿足風機機械運轉試驗。變頻器輸出頻率15至25Hz時，各臺電動機都能在30至50的額定轉速下運行，允許輸出30至50的額定功率，滿足葉片拉力試驗。變頻器輸出頻率55Hz時，各臺電動機都能在的額定轉速下運行，只要控制風機負載不超過電動機額定功率，即可滿足超速試驗。
五、電動機額定功率的確定變頻器的型號為V FA34280KP，其使用說明書給出的適用電動機功率為280kW.考慮到一般通用變頻器是按滿足標準4極電動機的電流和各參數制造的，電動機隨著極數增多，功率因數和效率降低，電流增大。因此，不能簡單地按變頻器使用說明書給出的適用電動機功率來確定電動機額定功率。
另外，變頻器使用說明書給出額定的電流是這只是流過變頻器輸出端子的基波方均根電流，實際輸出電流含有高次諧波電流，造成電動機電流增加。與利用電網電源直接驅動相比，即使是對同一負載和同一頻率，電動機電流也將增加5至10 ，電動機溫升也高于利用電網電源直接驅動的場合綜合考慮這兩種因素的影響，又要充分利用變頻器的容量，最終確定這4臺電動機的功率是：六、試車電動機溫升特點及原因變頻器使用說明書指出：通用電機運轉時，在□節能低速下，因冷卻效果下降，其轉矩有必要降低。當要求在低速下仍要恒轉矩運轉時，可使用變頻器專用電動機 V F電動機。
風機的機械特性不是恒轉矩特性，出廠試驗既有低速運轉，又有超速運轉，其電動機的冷卻效果及溫升有何特點，需要采取什么對策，也必須研究解決。
電動機溫升與轉速的關系，文獻〔2〕指出：當電動機損耗不變時，溫升與轉速的0. 4至0. 5次方成反比。
葉片拉力試驗時，風機在低速下運行，轉矩呈平方減轉矩特性，功率與轉速的三次方成比例下降。顯然，電動機的轉矩和溫升都不存在問題。
超速試驗時，風機在高速下運行，軸功率急劇上升。但由于采取措施控制軸功率不超過電動機額定功率，電動機的冷卻風量又隨轉速升高而增加，電動機的溫升也不存在問題。
機械運轉試驗時，風機在額定轉速下運行，電動機的冷卻風量不變。但由于變頻器輸出波形中含有高次諧波，諧波電壓和諧波電流將導致電動機鐵損和銅損增加，溫升升高。統計規律表明，電動機在額定運轉狀態下（電動機的電壓、頻率與輸出功率均為額定值） ，用變頻器供電與電網供電相比較，電動機電流增加10 ，而溫升增加20電動機的溫升直接影響壽命，溫升問題必須解決。
七、加大機座號，解決高次諧波和超速運轉對電動機的影響高次諧波除造成電動機溫升升高外，諧波電流還會改變電磁轉矩，產生振動力矩，使電動機發生周期性的轉速變動，振動增大，噪聲變大。
另外，超速試驗時，電動機在額定轉速下帶風機轉子運行，其軸承、風扇、端環和轉子等機械零件能否確保安全，也需要認定。
經與電機制造廠協商，確定用加大電動機機座號的辦法，解決高次諧波和超速運轉對電動機的影響。具體措施如下：1.降低電流密度，減少發熱2.絕緣等級提高到E級，提高允許溫升3.調整電磁參數，減少振動和噪聲4.校驗電機零部件的剛性及其他參數，減少振動并確保超速運轉安全。
電動機加大機座號后，價格比標準電機略有提高，但仍比專用的變頻電機低很多。
八、操作方式、頻率設定及監控考慮現場操作簡易、方便，采用速度選擇開關操作和操作盤上操作兩種方式。
正常試車時，只需將選擇開關轉至對應位置，即可選定運行速度，并控制電動機的啟動或停止。
通過變頻器內部編程，共設置成7段速度，并按頻頻率f和電動機極數P的關系，可按n= 120f /P算出。這7段速度已能滿足正常試驗的各種需要。
必要時，可改用操作盤操作，將頻率高定成其他值，并用運行鍵或停止鍵控制電動機啟動或停止�；蛘咴谶\行中，在操作盤上將運行頻率隨時調節到任意值。
利用操作盤顯示器監控輸出頻率，也可以利用自由單位功能，將輸出頻率顯示變更為轉速顯示。
九、運行實踐通過4年考核，在風機產品試車臺上，用變頻器取代液力耦合器和皮帶調速,彩鋼瓦車間高溫處理設備，完全達到了預期目標。轉速穩定、無漂移，振動不超差，試車工時減少至原來的1 /5至1 /10.這套試車系統投運至今，未出現任何故障或異常。
由于變頻試車系統在生產中取得巨大的效益，為擴大應用范圍，又利用這套變頻裝置，新增一臺2極280kW電動機，新建一個超速試車臺。
目前，設計、訂貨已完成，正在實施中。
十、補充說明變頻試車裝置不僅可以用于通風機、鼓風機試驗，也可以用于壓縮機機械運轉試驗不僅可以用于產品試驗，也可以用于模型試驗，更可以用于生產流程。當轉速控制需要更精確時，可選用近年推出的新型高性能變頻器，其頻率分辨率為0.
靜態轉速精度，無編碼器時為±0. 1 ，有編碼器時為±0. 01 轉矩階躍響應小于5ms.
1原魁，劉偉強。變頻器基礎及應用。冶金工業出版社， 1997.
2滿永奎等。通用變頻器及其應用。機械工業出版社， 1995.
變頻器在風機產品試車臺上的應用
目前，在立窯使用方面，多用羅茨風機解決通風問題。但伴隨著環保要求越來越高，立窯的適應性要求也不斷加強，現有的羅茨風機越來越難達到立窯生產要求。
通常，在立窯煅燒過程中,對豬舍通風設備有三方面要求：
一是要有足夠的壓力,即在窯內阻力變化時,特別是發生堵塞時,需要強制吹風,即要有足夠的壓力值;
二是要有?足夠的風量,以保證供氧充足,實現完壘燃?燒;
三是在滿足供風的前提下盡可能節電。?羅茨風機為定容式,壓力高,可滿足立窯供風的需要。在一定轉速下,水簾廠家,鼓風壓力隨風阻變化。當窯況變化風阻增大時,風機壓?力隨之增大,總的保持進風量不變。因為鼓風量基本上不隨風壓變化而波動,見圖1。?因此,多年來羅茨風機是唯一可供選擇的立?窯供風設備。
但隨著能源的日趨緊張和技術的不斷進步,羅茨風機暴露出的問題盤加突出,主要表現在如下幾方面:
(1)能耗高噪聲大羅茨風機效率低(一般為50%),能耗?高;為了滿足立窯惡劣工況需要,往往風機?規格選得很大,甚至高出正常窯況壓力的?1.5?倍以上,相應電機也選得大,這不僅增大了投資,且電機長期在低功率因數下運?轉,增加了電耗;而多余風量大多采用放風?排空,這也增大了電耗和噪聲。
(2)機械故障多。由于生產的需要,立窯用風機要長期連?續運轉,輸送的氣體又含有一定的粉塵,且?受振動和溫度的影響,羅茨風機常見機械故障如下:
a.定位齒輪燒壞?現在大部分用戶使用的羅茨風機是采用油泵供油。在運轉中,當油泵出現故障,供?油量不足或根本不供油時,如果不及時發?現,很快就會將齒輪燒壞。
b.定位齒輪磨損?風機由于長時間運轉造成定位齒輪磨?損,磨損后,不但噪聲增大,而且影響風機?的風量和風壓,進而影響窯的正常生產。
c.軸頸的磨損?軸頸磨損后,葉輪不能正常運轉而發生?相互撞擊,造成風機不能使用。
(3)羅茨風機制造加工技術要求高,?結構復雜,維修困難,成本和維修費用高。
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