刘存玉

(淄博职业学院制药与生物工程系，山东淄博，255314)

在化工、冶金、建材等诸多行业，风机是应用比较广泛的一类机械装置。传统风机的电机都是以固定速率运转，其风量大小的调节是通过改变风机入口的挡板(即风门)来实现的，但风门存在效率低、能耗大，有时还无法提供所需的最低流量或调节范围的缺点。尽管可使用双速电机配合风门控制来改善风机效率和流量调节范围，但这也可能会引起某些系统控制方面的问题[1]。

而利用变频(驱动)器就能够使风机获得较高的能效和灵活的可操作性，从而为风机气流控制提供最佳途径。所谓变频器是指通过改变供电频率和电压来驱动电机的一类控制器，它实际就是一个可以进行调频调压的交流电源。变频器可以实现大范围内的高效连续调速控制，可以做到连续高频度起停运行，对要求必须在变化负载或循环载荷下精确送排风的工业风机，使用变频器尤其具有优势。

选择变频风机，不能像选传统风机那样，仅考虑单位时间流量和静压力这两项指标，还必须考虑风机的运行方式，因为风机日常操作过程的不同能够影响其寿命的长短。对风机寿命的预测类似于轴承行业对轴承寿命的预测，转子结构和操作特性是进行预测的决定性因素。

举例来说，假如一般定速风机的典型正常使用状态是每天2个开-停循环，按每周5个工作日、每年运行50周计，等于每年有500个运行循环。标准直连传动离心风机产品的最低设计要求通常是可运行10,000个循环，因此可以预计其转子寿命是20年。所谓“一个循环”是指转速从0 rpm到1500 rpm再到0 rpm(如果是60Hz供电系统，则将转速乘以6/5，即0—1800rpm)。显然，如果增加风机每天的循环次数，转子寿命相应就会减少。另外，每一循环的转速变化幅度对转子寿命也有影响，转速为0—1500rpm的循环对转子寿命的影响就比转速为1000—1500rpm的循环更大。当转速范围变窄时，每一循环对转子寿命的影响也就相应降低。

1 联轴器的选择

变频器是一个扭振源，因此，要求使用软扭转联轴器，以便使风机-电机系统具有阻尼减振效果。应避免选用盘式联轴器，因为盘式联轴器扭转不灵活，不太可能提供要求的阻尼减振性能。而V-形皮带传动式风机通常不存在什么典型临界速度问题，因为皮带本身就可提供足够的阻尼减振效果。

2 电机的选择

选择一台适合于变频器运行的电机很重要。标准电机尽管可作一时之用，但这会缩短其寿命。适合与变频器匹配的电机型式主要决定于下列一些因素：

2.1 可变扭矩

风机是一种扭矩可变的应用装置，所选电机必须适合于变频器的运行模式。可用每分钟转数(rpm)、频率或同时用这两者来规定要求的操作范围。

常用变频器可在5—100Hz的频率范围运行(对应10%—200%的电机转速)，其中对恒转矩调速为5—50Hz，恒功率调速为50—100Hz。然而，对于在110%即55Hz以上频率的运行，应同时有风机和电机厂家的认可，因为有些轴承或中轴可能不足以应付高速运转的情况。此外，对任何电机，如果打算其在额定转速的125%以上运行，通常要进行专门的设计和制造。

2.2 电机功率

要求电机铭牌上的功率必须等于或大于风机在最高转速时的制动功率。风机制动功率实际多数由生产商确定。变频器能够使电机在低于、等于或高于满负荷转速运行，并且在这些运行条件下要求的制动功率也会改变，因此要相应配备合适功率的电机。一般采用服务系数(SF，Service Factor)衡量电机的连续负载能力，其数值等于电机允许输出功率与其额定功率的比值。例如，一台功率为30kW的电机，如果服务系数为1.15，那么它的实际可输出最大功率为30×1.15=34.5kW，在此功率下运行，电机本身不会出现过热或损害现象，但绝缘和轴承寿命会受到某种程度的影响。对三相异步电动机，根据其运行特性，服务系数大小一般规定为1.15—1.25，因为使用偏低的服务系数，没有实际应用价值；服务系数偏高，电机运行的经济性则不够理想[2]。

用联轴器或皮带把风机和电机相连接，推荐将风机设计为在满负荷转速时具有最高效率，这样就能避免很多风机设计方面的问题，保证风机具有能在所有操作条件下运行的结构，并保证选出大小合适的电机。

2.2.1 在电机满负荷转速时运行的风机

这种情况的风机具有一个和电机满负荷转速相同的设计转速。对此，可使用选择电机大小的一般准则，即电机功率不低于要求的制动功率。但必须注意的是，由于变频器能够在输电线路上产生谐波，使电机发热量增加，所以要求将电机的额定功率适当调低。例如，对一台恒速运行时标准服务系数SF=1.15的电机，经验表明当通过变频器来运行时，其SF减为1.0(即最大输出功率等于额定功率)比较合适。

2.2.2 在低于电机满负荷转速时运行的风机

所选风机运行的转速范围如果低于电机的满负荷转速，则选择与其相匹配的电机功率的方法就有所不同。实验证明，当电机转速高于额定转速的50%时，电机功率随转速是呈线性降低的，但在低于50%的额定转速时，其关系就是非线性的了。

例如，假定用一台满负荷转速为1500 rpm的电机来驱动一台选定为1250 rpm运行的风机，需要的制动功率是250kW，由于电机的功率随转速降低直线下降，所以，可用下式计算需要的电机功率：

(1500rpm/1250rpm)×250=300kW

因此，可选择一台不低于300kW/1500rpm的电机使风机在1250rpm转速下运行。

2.2.3 旁路方式

如果要求变频器在旁路方式运行，那么情况就不同了。所谓旁路方式，指的是一种当变频器的电子(控制)装置不在线或脱机时(例如变频系统出现故障无法及时恢复时)，风机电机继续在该电机的同步转速运转的操作方式，它能使风机继续保持向系统供气，属于变频风机的应急启动功能[3]。

在旁路方式，变频器上的一个内置开关直接把电机与三相电源相连接。为了与旁路方式相适应，要根据在50Hz运行时需要的制动功率来匹配电机功率。

仍然以上例中同一台风机(250kW/1500rpm)为例。当风机在旁路方式运行时，电机必须在50Hz能提供必要的功率。因电机功率是随转速比的立方增加的，那么，50Hz运行所需的功率可计算如下：

因此，需要匹配一台额定功率不低于432kW的电机，才能保证以旁路方式运行时电机不会失灵。

不过，如果风机配有进口风门，那么因关闭风门就降低了气流量，也降低了产生此流量所需要的制动功率，对此，有时仍可允许使用一台300kW的电机。

2.2.4 在高于电机满负荷转速时运转的风机

如果风机被设计为高于电机的满负荷转速运行，那么仅在使用旁路方式时才会出现问题。在旁路方式，电机将在满负荷转速即1500rpm运转，但风机系统由于转速的降低就不能达到要求的性能。因此，建议设计风机的转速超出电机满负荷转速的比例不高于10%，即对应变频频率55Hz。

3 对电机一些普遍性问题的处理

有些问题对所有电机都有影响。例如，电机的加速时间必须尽量短，否则其产生的热量足以破坏绝缘层，从而导致电机过早损坏。

在气温高于40℃或海拔高于1000m的地方运行时，可能需要特殊设计或降低其额定功率。否则，也会在运行时使绝缘过热。

与不通过变频器控制的电机相比，变频器控制电机的总噪声要高1—4分贝(dB)。如对最大噪声有特别要求，就需向供应商咨询有关事宜。

长期在恒定转速和低于满负荷条件下运行的电机，其轴承由于电流的通过可能会过早损坏。对这种运行状况，需要安装有隔离(屏蔽)轴承的特殊电机。

4 变频器的选择和操作

选择和操作与风机匹配的变频器，应当遵循以下原则：

4.1 要有软启动

工业风机所选变频器一定要有软启动功能，以避免产生具有破坏性的起动电流，并消除对电机和风机都具有破坏作用的高起动扭矩。起动电流是指当电机内线圈刚刚通电、诱导电场尚未建立时产生的瞬时电流。

4.2 避免临界转速

要求变频器具有临界转速避开功能。标准风机在超速运行时，其中轴的转速有可能会达到一个共振频率，该频率对应的转速就是临界转速。实际使用中，变频器最大输出频率一般不大于电源工频(我国是50Hz)。因此，与配有单一转速电机的风机不同，以恒转矩调速为例，使用变频器的风机可能会经受5—50Hz之间的每一运行频率。虽然风机的设计一般都将服务系数考虑在内，以便允许在风机的运行速率范围和能产生共振的速率之间有一个安全间隔(系数)，但临界转速避免功能能够使操作者识别和去除任何会引起系统共振的频率。系统会对风机、电机、变频器、构件、管道和传动轴等进行监视。

为了避免起动时风机以破坏性频率运转，有必要将系统在每个频率运行，以识别然后(按照变频器制造商规定程序)阻断任何可能激起风机共振的频率。

4.3 具备独立可调的自动加减速功能

要求缓慢改变转速。当逐步改变转速范围时，一般要求在两个循环之间至少设定60秒的时间间隔。

4.4 消除转速的陡升陡降

这可通过适当调节变频器的电压/频率比来消除之。

4.5 应使电压峰值最小

由于电机和电缆之间阻抗不匹配，变频器能够产生峰值电压，过长的连接电缆会加剧这种效应。因此，建议将电机和变频器之间的电缆长度限制在50米以内。

4.6 开车服务到位

新安装的变频风机首次开车时，一定要有风机和变频器制造商共同参与服务，以验证安装是否正确，检查驱动系统的启动是否正常，保证系统正常运行。

5 影响风机变频器使用的环境因素和注意事项

5.1 工作温度

变频器内部是大功率电子元器件，很容易受到工作温度的影响。一般要求使用温度为0—55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，绝不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

5.2 环境温度

环境温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，可能引发短路事故。因此，必要时应在机箱中放置干燥剂或配备干燥器。

5.3 腐蚀性气体

使用环境若腐蚀性气体浓度较大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。所以要采取相应预防措施。

5.4 振动和冲击

装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜内外电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

5.5 电磁波干扰

变频器在工作中，由于整流和变频，其周围会产生很多高频电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定干扰。因此，柜内仪表和电子系统应选用金属外壳来屏蔽变频器的干扰。所有元器件均应可靠接地，各电气元件、仪表以及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层也要接地。如果处理不好电磁干扰，可能导致控制失灵，使整个系统不能正常工作。

6 结语

影响工业变频风机选用的因素，当然并不完全局限于以上这些。由于在不同工作场所，风机运行的环境各不相同，所以应当针对风机的实际运行环境，尽可能考虑到各种可能的影响因素来选择合适的变频器，以及与其匹配的电机和风机。只有这样，才能使变频风机的优势得到充分发挥。