变频器提高风机系统能效的方法

如果气流的调节或限制经常超过设计流量的20%，那么依赖定速电机和风门的风扇会浪费能量。在这种情况下，变频器可能会提供更节能的选择。关键问题是何时采用机械方法进行气流调节，何时采用变频器。机械方法通常会产生较低的前期资本成本，但根据应用的不同，在考虑长期能源使用时，变频器可能会更具成本效益。因此，让我们研究如何确定哪个选项对应用程序最有效。

变频器无需风门或其他机械控制即可减少气流。它们允许操作员调整电机的电力频率，从而减慢或加速风扇。变频器可降低流速降低时的流动噪声和设备压力。它们通常是理想的解决方案，前提是您可以证明初始资本支出的合理性。

变频器可以集成到原始风扇设计中，也可以改装到现有风扇中。然而，改造可能需要对风扇或电机与风扇之间的联轴器进行重要调整。

当应用要求静压和风量输出低于其设计工作点时，气流调节问题就会出现。从历史上看，阻尼器是这种情况下的解决方案。阻尼器与定速电机变频器一起使用。正如我将要描述的，存在几种类型的入口和出口阻尼器。其中一些选项对于需要最小气流限制的应用仍然可行。然而，在使用阻尼器之前，工厂经理需要仔细考虑与能源消耗相关的问题；随着时间的推移，对风扇和风扇设备的压力；以及必须限制气流的频率、程度和精确度。

进气阻尼器

进气风门控制广泛用于提高空气流动系统的运行效率。大多数入口风门在与离心风扇叶轮旋转相同的角度方向上预旋转进入的空气。这种定向空气运动减少了风扇压力和气流的功耗，从而减少了运行风扇所需的能量。

风扇叶轮入口上游的多个叶片为其提供受控的空气呈现，从而能够在广泛的操作范围内实现平稳控制。进气风门为每个风门位置创建一个新的风扇性能曲线，随着气流速率的降低而降低效率（图1）。

入口风门的两种主要类型是百叶窗式和径向式。

百叶窗式进气风门通常具有平行叶片，在脏空气流中工作良好。它们也可用于对置刀片-但不推荐这种配置，因为它不会预旋转空气。

径向进气风门由于能够更有效地预旋转空气，通常比百叶窗式风门更有效。

其他类型的进气阻尼器包括：涡流阻尼器，它需要进气箱，可用于悬臂叶片和中心轮毂设计；和可变进气叶片，需要锥形进气件并且仅用于清洁空气流。两者都拥有与径向入口阻尼器相当的效率。

如果不经常使用空气流动系统，则入口风门可能会在气流调节装置的初始成本/潜在节能比较中名列前茅。它们在限制气流小于20%时特别有效。

当阻尼器严重限制气流时，需要谨慎。将气流限制多达70%可能会导致流动不稳定或旋转失速，即空气不足导致高振幅压力脉冲。以最近一家钢厂运行的焦炉电池洗涤器风机为例，进口风门关闭90%。风机专业人员记录了风机外壳的剧烈振动和破裂。振动、压力脉动和频率的测量证实了旋转失速状态。安装变频器后，磨机可以让风门完全打开，并通过调节风扇速度来调节气流。然后风扇在所有工艺流速下平稳运行。该工厂每年实现的能源节约估计超过250，000美元。

出口阻尼器

这些通过限制出口处的气流路径来控制流量。由于效率低下（图1）和损坏系统组件的可能性，它们很少用于大型工业风扇。

部分关闭或节流、平行或相对的风门叶片可提供所需的流量减少。然而，阻尼器上游侧的压力增加会增加系统的背压。这种阻力会导致风扇的工作点在其性能曲线上出现负移。

过度使用阻尼器可能会损坏系统组件。高度节流的出口阻尼器会产生严重的抖振和非常高的背压，这可能会导致系统组件过早磨损、过热甚至破裂，从而导致运行和维护成本增加。这种阻尼器在脏空气流中也易于腐蚀。此外，阻尼器叶片上堆积的颗粒物质和阻尼器元件的热变形会妨碍调节叶片进行节流的能力。

变频器

变频器通常在最宽的体积和压力范围内提供最平稳的流量控制。凭借经过验证的节能能力，它们是在降低的流量和压力下长时间运行的空气流动系统的流行选择。此外，变频器结构紧凑，可以轻松添加到大多数现有电机中，它们减少了与出口和入口阻尼器相关的常见污垢问题，例如过度振动、噪音和设备磨损。

随着风扇速度（rpm）随着变频器的降低，压力、体积和马力都会下降。风扇性能和制动马力（BHP）的曲线基本上与风扇定律曲线一致（图1）。这种转变适用于大多数固定电阻系统。它在降低速度时可显着节省马力，如第三个风扇定律所示：BHP2=（rpm2/rpm1）3（BHP1）

换句话说，将电机速度减半会将功耗降低到八分之一。例如，从1，000BHP的1，000rpm降至500rpm会导致功率降低至125BHP。以较低的速度运行电机所需的能量要少得多。

变频器提供的软启动功能为降低能源需求提供了进一步的机会。电动机在启动期间通常会遇到比正常运行期间更高的电流。变频器允许电机以较低的电流启动。通过消除较高的启动电源浪涌，变频器减少了电机绕组和控制器的磨损，并降低了可能影响敏感设备的电压骤降的严重程度。

变频器还可以降低速度和风量较低时的气流噪音。使用风门节流气流会导致噪音水平增加，从而降低工人的舒适度。

变频器问题

尽管降低电力需求和维护成本具有典型的好处，但变频器并不适合所有应用。此外，安装变频器取决于几个关键的风扇设计考虑因素：1）在整个运行速度范围内的自然谐振频率；2）联轴器；3）轴承；4）系统静压。

空气运动系统的各个组件具有自然共振频率。如果在运行过程中受到激励，这些频率可能会导致振动应力和疲劳，从而产生噪音，并可能导致叶轮、轴、轴承和基础等某些部件开裂或损坏。共振冲击测试可以确定自然共振频率。一个关键是扭转共振频率，它是使用从空气运动系统中的组件收集的数据计算出来的，包括风扇、联轴器和电机组件。

风扇通常设计为具有高于或低于任何自然共振频率（包括扭转频率）的正常运行速度。如果正常运行速度超过这些频率，则随着转速的降低，变频器将面临撞击它们的风险。达到轴横向共振频率的第一风扇速度称为第一临界速度。

各种系统更改可以将谐振频率转移到风扇运行速度范围之外，从而避免达到第一临界速度。改变扭转共振频率的最常见选择是更换联轴器——例如，更换为弹性块型联轴器或其他具有高阻尼特性的联轴器。对风扇转子的修改还可以改变系统中的谐振频率，从而实现首选的运行速度范围。除了机械改动之外，还可以对变频器进行编程，以锁定接近第一临界速度的速度或可能激发自然频率的其他速度。变频器专业人员应参与此过程。

轴承还需要仔细选择以匹配空气流动系统。某些轴承类型（包括滑动轴承）的正常运行需要足够的运行速度；减摩轴承通常在任何速度下都表现良好。

在使用装有在运行期间打开的出口挡板的管道出口的系统中，挡板需要足够的静压才能正常工作。如果风扇转速降低时压力水平过低，则风门将不会打开。因此，检查满足压力要求所需的最低运行速度对于确定变频器是否最适合这些情况至关重要。

做出正确的选择

只有一点，入口风门、出口风门和变频器的功率效率基本相同——最大速度。对于最大流量，所有三个选项的功耗相对相似。随着流量需求的减少，变频器通常会提供最佳效率。但是，如果系统流量需求始终保持在80%–100%范围内，入口阻尼器可能是一个可行的替代方案。对于大多数系统，出口阻尼器不是一种可行的流量控制手段。但请记住，为操作选择最佳流量调节装置需要仔细分析。
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