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摘要：随着变频调速技术的不断发展和进步，变频器已经成为各企业中不可缺少的电气设备，变频调速技术在风机中发挥出很大的节能优势。以变频调速技术在焊接车间排风系统的应用为例，介绍了变频调速技术的特点，详细讲述了变频器的工作原理及采用变频调速的必要性。
关键词：变频器；调速控制；风机；节能
焊接过程中产生的电弧，焊条芯、药皮和金属焊件融熔后要发生气化、蒸发和凝结现象，会产生大量的锰铬氧化物及有害烟尘，长期吸入高浓度的焊接烟尘，可引起焊工尘肺，对从业人員的身体健康构成极大威胁。我院的焊接培训中心承担了校内外的焊接实训任务，针对我院设备运行的具体情况，将电机变频调速技术用于风机的风量控制，用调节电机转速来调节风量的方法，节能效果十分显著。
1.变频调速技术的特点
变频器是指利用一定的电力电子技术来改变电源的频率与幅度已达到电力控制的机械设备。变频器在风机上的应用有显著的优势，能够通过电力电源的改变与控制减少能源的消耗。变频器调速的控制有着十分积极的意义，变频调速能够限定电动机的额定电流，减小机械的负载增加电动机和风机的使用寿命。同时，变频调速的控制能够减小一些不必要的机械转动程序，减小能源的损耗，提高资源的利用率。除此之外，高效的调速控制将进一步保持机械设备的稳定性，保障其在工作环境下的安全运行。
2.变频调速技术的工作原理
根据三相异步电动机的工作原理，三相异步电动机的转速公式为：
（1）
式中， 为电机转速， 为电源频率， 为转差率， 为电机极对数。
常用的改变电机转速的方法有：调压调速、变极调速、串极调速、变频调速。在这些方法中，最简单易行的便是通过改变电源频率而达到改变电机转速的目的，由（1）式可知，当转差率 、极对数 不变时，电动机的转速 与电源频率 成正比，所以改变电源频率 就能改变电动机的转速 ，从而实现调速，变频调速技术就是以此为原理发展起来的。
在进行电机调速时，希望保持每极磁通量 的恒定。磁通太弱，电机的铁心得不到充分利用，是一种浪费；磁通太强，会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组的过热而损坏电机。在交流异步电机中，如何保证磁通的恒定呢？
气隙主磁通在定子一相绕组中产生的感应电动势为：
（2）
一相定子绕组的电压方程为： （ 为定子绕组阻抗）。 如果忽略了定子压降，则（2）式可近似表示为：
（3）所以，
（4）
式中， 为定子每相感应电动势的有效值， 为定子频率， 为定子每相绕组串联匝数， 为基波绕组系数， 为每极气息磁通量， ，是一个常数。
由（4）式可以看出，要保持电机磁通量恒定，必须使定子电压与频率的比值保持不变，这种 的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制，根据 协调控制的方式不同，分为基频以下调速和基频以上调速两种，下面对常用的基频以下调速进行介绍：
（1）恒电压频率比（ =常数）调速
根据电动机的电磁转矩公式 可知， 与 、 成正比，要保持 不变，则必须使 不变，要 与 成正比变化，即： =常数，这种恒电压频率比控制方式的机械特性曲线（以六极电机为例）如图1所示。
图1 =常数时的变频调速机械特性
由图1可以看出，从同步转速 时 =0到最大转距 的特性曲线可以近似看作是直线关系，且线性段基本平行，类似于直流电机的调压特性。但最大转距 随 下降而减少， 较高时， 和 的数值较大，定子阻抗压降相对较小，可以忽略，所以 ；而 较低时， 和 的数值较小，定子阻抗压降相对较大，不能再忽略， 。并且因为 较小， 小很多， 就较小，这对于满载或过载起动是很不利的，而对于风机水泵类机械负载还是合适的。
（2）恒电势频率比（ =常数）调速
用恒电压频率比协调控制时，在低速时最大转距 减少，降低了起动与过载能力。低速时为了保持 不变，，提高起动能力，就必须采用“ =常数”的协调控制方式。如前所述，因为低频时， 和 都较小，定子阻抗压降的份量就比较显著，不能忽略。这时随转速的降低，定子电压应适当提高，以近似补偿定子阻抗引起的压降，从而保证电机具有恒定最大转矩 。这时电机的机械特性如图2。
恒电压频率比比控制特性和恒电势频率比控制特性如图3。
图2 =常数时的变频调速机械特
图3 恒电压频率比和恒电势频比控制特性
从以上分析可以看出，变频调速可得到几乎与直流电机调压调速相同 “硬度”的机械特性，而这正是变频调速与其他调速方式相比所具有的优点之一。
3节能原理
风机是传送气体的机械设备，从流体力学原理得知风机的轴功率等于风量与风压的乘积，即： ，其中，H表示风压，Q表示风量。
所以， = （5）
由（5）式可知，风机的轴功率与风机的转速的三次方成正比，即风机的轴功率与供电频率的三次方成正比。具有以下关系：
频率f（Hz） 50 45 40 35 30 25
轴功率P（%） 100% 72.9% 51.2% 34.3% 21.6% 12.5%
节电率（%） 0.00% 27.1% 48.8% 65.7% 78.4% 87.5%
通过上表可以清楚看出，采用变频调速控制系统，节电效果非常明显。
4结语
实践证明，变频调速用于风机控制有显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式，既满足了安全生产需求，克服了交流电动机直接启动的缺点，有提高了设备效率，并且大大减少了设备维修维护费用，其直接和间接经济效益十分显著。
参考文献：
[1]何孔平. 变频器在风机系统中的应用[J]. 法制与经济（中旬刊）， 2011（07）：191-192.
[2]游中国. 变频器在风机调速系统中的应用[J]. 科技创新导报， 2013（14）：49-51.
[3]玉芳. 变频调速技术在粉煤排风机上的应用[J]. 有色冶金节能， 2011（03）：51-53.
作者简介：马淑芳（1978—），女，汉族，山东潍坊人，单位：青岛滨海学院，讲师，硕士，（研究方向）电力电子与电机控制技术，青岛市黄岛区青岛滨海学院机电工程学院电气教研室，邮编266555。
项目名称：青岛滨海学院科技计划项目
项目编号：2016K16
关键词：变频器；调速控制；风机；节能
焊接过程中产生的电弧，焊条芯、药皮和金属焊件融熔后要发生气化、蒸发和凝结现象，会产生大量的锰铬氧化物及有害烟尘，长期吸入高浓度的焊接烟尘，可引起焊工尘肺，对从业人員的身体健康构成极大威胁。我院的焊接培训中心承担了校内外的焊接实训任务，针对我院设备运行的具体情况，将电机变频调速技术用于风机的风量控制，用调节电机转速来调节风量的方法，节能效果十分显著。
1.变频调速技术的特点
变频器是指利用一定的电力电子技术来改变电源的频率与幅度已达到电力控制的机械设备。变频器在风机上的应用有显著的优势，能够通过电力电源的改变与控制减少能源的消耗。变频器调速的控制有着十分积极的意义，变频调速能够限定电动机的额定电流，减小机械的负载增加电动机和风机的使用寿命。同时，变频调速的控制能够减小一些不必要的机械转动程序，减小能源的损耗，提高资源的利用率。除此之外，高效的调速控制将进一步保持机械设备的稳定性，保障其在工作环境下的安全运行。
2.变频调速技术的工作原理
根据三相异步电动机的工作原理，三相异步电动机的转速公式为：
（1）
式中， 为电机转速， 为电源频率， 为转差率， 为电机极对数。
常用的改变电机转速的方法有：调压调速、变极调速、串极调速、变频调速。在这些方法中，最简单易行的便是通过改变电源频率而达到改变电机转速的目的，由（1）式可知，当转差率 、极对数 不变时，电动机的转速 与电源频率 成正比，所以改变电源频率 就能改变电动机的转速 ，从而实现调速，变频调速技术就是以此为原理发展起来的。
在进行电机调速时，希望保持每极磁通量 的恒定。磁通太弱，电机的铁心得不到充分利用，是一种浪费；磁通太强，会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组的过热而损坏电机。在交流异步电机中，如何保证磁通的恒定呢？
气隙主磁通在定子一相绕组中产生的感应电动势为：
（2）
一相定子绕组的电压方程为： （ 为定子绕组阻抗）。 如果忽略了定子压降，则（2）式可近似表示为：
（3）所以，
（4）
式中， 为定子每相感应电动势的有效值， 为定子频率， 为定子每相绕组串联匝数， 为基波绕组系数， 为每极气息磁通量， ，是一个常数。
由（4）式可以看出，要保持电机磁通量恒定，必须使定子电压与频率的比值保持不变，这种 的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制，根据 协调控制的方式不同，分为基频以下调速和基频以上调速两种，下面对常用的基频以下调速进行介绍：
（1）恒电压频率比（ =常数）调速
根据电动机的电磁转矩公式 可知， 与 、 成正比，要保持 不变，则必须使 不变，要 与 成正比变化，即： =常数，这种恒电压频率比控制方式的机械特性曲线（以六极电机为例）如图1所示。
图1 =常数时的变频调速机械特性
由图1可以看出，从同步转速 时 =0到最大转距 的特性曲线可以近似看作是直线关系，且线性段基本平行，类似于直流电机的调压特性。但最大转距 随 下降而减少， 较高时， 和 的数值较大，定子阻抗压降相对较小，可以忽略，所以 ；而 较低时， 和 的数值较小，定子阻抗压降相对较大，不能再忽略， 。并且因为 较小， 小很多， 就较小，这对于满载或过载起动是很不利的，而对于风机水泵类机械负载还是合适的。
（2）恒电势频率比（ =常数）调速
用恒电压频率比协调控制时，在低速时最大转距 减少，降低了起动与过载能力。低速时为了保持 不变，，提高起动能力，就必须采用“ =常数”的协调控制方式。如前所述，因为低频时， 和 都较小，定子阻抗压降的份量就比较显著，不能忽略。这时随转速的降低，定子电压应适当提高，以近似补偿定子阻抗引起的压降，从而保证电机具有恒定最大转矩 。这时电机的机械特性如图2。
恒电压频率比比控制特性和恒电势频率比控制特性如图3。
图2 =常数时的变频调速机械特
图3 恒电压频率比和恒电势频比控制特性
从以上分析可以看出，变频调速可得到几乎与直流电机调压调速相同 “硬度”的机械特性，而这正是变频调速与其他调速方式相比所具有的优点之一。
3节能原理
风机是传送气体的机械设备，从流体力学原理得知风机的轴功率等于风量与风压的乘积，即： ，其中，H表示风压，Q表示风量。
所以， = （5）
由（5）式可知，风机的轴功率与风机的转速的三次方成正比，即风机的轴功率与供电频率的三次方成正比。具有以下关系：
频率f（Hz） 50 45 40 35 30 25
轴功率P（%） 100% 72.9% 51.2% 34.3% 21.6% 12.5%
节电率（%） 0.00% 27.1% 48.8% 65.7% 78.4% 87.5%
通过上表可以清楚看出，采用变频调速控制系统，节电效果非常明显。
4结语
实践证明，变频调速用于风机控制有显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式，既满足了安全生产需求，克服了交流电动机直接启动的缺点，有提高了设备效率，并且大大减少了设备维修维护费用，其直接和间接经济效益十分显著。
参考文献：
[1]何孔平. 变频器在风机系统中的应用[J]. 法制与经济（中旬刊）， 2011（07）：191-192.
[2]游中国. 变频器在风机调速系统中的应用[J]. 科技创新导报， 2013（14）：49-51.
[3]玉芳. 变频调速技术在粉煤排风机上的应用[J]. 有色冶金节能， 2011（03）：51-53.
作者简介：马淑芳（1978—），女，汉族，山东潍坊人，单位：青岛滨海学院，讲师，硕士，（研究方向）电力电子与电机控制技术，青岛市黄岛区青岛滨海学院机电工程学院电气教研室，邮编266555。
项目名称：青岛滨海学院科技计划项目
项目编号：2016K16