摘要：隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，變頻器已經(jīng)成為各企業(yè)中不可缺少的電氣設(shè)備，變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機中發(fā)揮出很大的節(jié)能優(yōu)勢。以變頻調(diào)速技術(shù)在焊接車間排風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用為例，介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的特點，詳細講述了變頻器的工作原理及采用變頻調(diào)速的必要性。

關(guān)鍵詞：變頻器；調(diào)速控制；風(fēng)機；節(jié)能

焊接過程中產(chǎn)生的電弧，焊條芯、藥皮和金屬焊件融熔后要發(fā)生氣化、蒸發(fā)和凝結(jié)現(xiàn)象，會產(chǎn)生大量的錳鉻氧化物及有害煙塵，長期吸入高濃度的焊接煙塵，可引起焊工塵肺，對從業(yè)人員的身體健康構(gòu)成極大威脅。我院的焊接培訓(xùn)中心承擔了校內(nèi)外的焊接實訓(xùn)任務(wù)，針對我院設(shè)備運行的具體情況，將電機變頻調(diào)速技術(shù)用于風(fēng)機的風(fēng)量控制，用調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法，節(jié)能效果十分顯著。

1.變頻調(diào)速技術(shù)的特點

變頻器是指利用一定的電力電子技術(shù)來改變電源的頻率與幅度已達到電力控制的機械設(shè)備。變頻器在風(fēng)機上的應(yīng)用有顯著的優(yōu)勢，能夠通過電力電源的改變與控制減少能源的消耗。變頻器調(diào)速的控制有著十分積極的意義，變頻調(diào)速能夠限定電動機的額定電流，減小機械的負載增加電動機和風(fēng)機的使用壽命。同時，變頻調(diào)速的控制能夠減小一些不必要的機械轉(zhuǎn)動程序，減小能源的損耗，提高資源的利用率。除此之外，高效的調(diào)速控制將進一步保持機械設(shè)備的穩(wěn)定性，保障其在工作環(huán)境下的安全運行。

2.變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理

根據(jù)三相異步電動機的工作原理，三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為：

（1）

式中， 為電機轉(zhuǎn)速， 為電源頻率， 為轉(zhuǎn)差率， 為電機極對數(shù)。

常用的改變電機轉(zhuǎn)速的方法有：調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串極調(diào)速、變頻調(diào)速。在這些方法中，最簡單易行的便是通過改變電源頻率而達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的，由（1）式可知，當轉(zhuǎn)差率 、極對數(shù) 不變時，電動機的轉(zhuǎn)速 與電源頻率 成正比，所以改變電源頻率 就能改變電動機的轉(zhuǎn)速 ，從而實現(xiàn)調(diào)速，變頻調(diào)速技術(shù)就是以此為原理發(fā)展起來的。

在進行電機調(diào)速時，希望保持每極磁通量 的恒定。磁通太弱，電機的鐵心得不到充分利用，是一種浪費；磁通太強，會使鐵心飽和，導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時還會因繞組的過熱而損壞電機。在交流異步電機中，如何保證磁通的恒定呢？

氣隙主磁通在定子一相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

（2）

一相定子繞組的電壓方程為： （ 為定子繞組阻抗）。 如果忽略了定子壓降，則（2）式可近似表示為：

（3）所以，

（4）

式中， 為定子每相感應(yīng)電動勢的有效值， 為定子頻率， 為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)， 為基波繞組系數(shù)， 為每極氣息磁通量， ，是一個常數(shù)。

由（4）式可以看出，要保持電機磁通量恒定，必須使定子電壓與頻率的比值保持不變，這種 的配合變化稱為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制，根據(jù) 協(xié)調(diào)控制的方式不同，分為基頻以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種，下面對常用的基頻以下調(diào)速進行介紹：

（1）恒電壓頻率比（ =常數(shù)）調(diào)速

根據(jù)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式 可知， 與 、 成正比，要保持 不變，則必須使 不變，要 與 成正比變化，即： =常數(shù)，這種恒電壓頻率比控制方式的機械特性曲線（以六極電機為例）如圖1所示。

圖1 =常數(shù)時的變頻調(diào)速機械特性

由圖1可以看出，從同步轉(zhuǎn)速 時 =0到最大轉(zhuǎn)距 的特性曲線可以近似看作是直線關(guān)系，且線性段基本平行，類似于直流電機的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)距 隨 下降而減少， 較高時， 和 的數(shù)值較大，定子阻抗壓降相對較小，可以忽略，所以 ；而 較低時， 和 的數(shù)值較小，定子阻抗壓降相對較大，不能再忽略， 。并且因為 較小， 小很多， 就較小，這對于滿載或過載起動是很不利的，而對于風(fēng)機水泵類機械負載還是合適的。

（2）恒電勢頻率比（ =常數(shù)）調(diào)速

用恒電壓頻率比協(xié)調(diào)控制時，在低速時最大轉(zhuǎn)距 減少，降低了起動與過載能力。低速時為了保持 不變，，提高起動能力，就必須采用“ =常數(shù)”的協(xié)調(diào)控制方式。如前所述，因為低頻時， 和 都較小，定子阻抗壓降的份量就比較顯著，不能忽略。這時隨轉(zhuǎn)速的降低，定子電壓應(yīng)適當提高，以近似補償定子阻抗引起的壓降，從而保證電機具有恒定最大轉(zhuǎn)矩 。這時電機的機械特性如圖2。

恒電壓頻率比比控制特性和恒電勢頻率比控制特性如圖3。

圖2 =常數(shù)時的變頻調(diào)速機械特

圖3 恒電壓頻率比和恒電勢頻比控制特性

從以上分析可以看出，變頻調(diào)速可得到幾乎與直流電機調(diào)壓調(diào)速相同 “硬度”的機械特性，而這正是變頻調(diào)速與其他調(diào)速方式相比所具有的優(yōu)點之一。

3節(jié)能原理

風(fēng)機是傳送氣體的機械設(shè)備，從流體力學(xué)原理得知風(fēng)機的軸功率等于風(fēng)量與風(fēng)壓的乘積，即： ，其中，H表示風(fēng)壓，Q表示風(fēng)量。

所以， = （5）

由（5）式可知，風(fēng)機的軸功率與風(fēng)機的轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即風(fēng)機的軸功率與供電頻率的三次方成正比。具有以下關(guān)系：

頻率f（Hz） 50 45 40 35 30 25

軸功率P（%） 100% 72.9% 51.2% 34.3% 21.6% 12.5%

節(jié)電率（%） 0.00% 27.1% 48.8% 65.7% 78.4% 87.5%

通過上表可以清楚看出，采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，節(jié)電效果非常明顯。

4結(jié)語

實踐證明，變頻調(diào)速用于風(fēng)機控制有顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式，既滿足了安全生產(chǎn)需求，克服了交流電動機直接啟動的缺點，有提高了設(shè)備效率，并且大大減少了設(shè)備維修維護費用，其直接和間接經(jīng)濟效益十分顯著。

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作者簡介：馬淑芳（1978—），女，漢族，山東濰坊人，單位：青島濱海學(xué)院，講師，碩士，（研究方向）電力電子與電機控制技術(shù)，青島市黃島區(qū)青島濱海學(xué)院機電工程學(xué)院電氣教研室，郵編266555。

項目名稱：青島濱海學(xué)院科技計劃項目

項目編號：2016K16endprint