大型永磁无刷风扇变频控制系统及节能分析

李本劼

（镇江市节能监察中心，江苏镇江 212001）

借助低碳环保理念的深入人心，高风量低转速大型风扇正渐渐应用在大型厂房、物流堆栈、配送中央、养殖场以及体育馆、车站、机场等大型场所内，成为室内通风降温、驱除湿热的最佳选择。相比于大家常见的风扇，外型尺寸都比较小，直径大多数都在0.75 m左右，而工业风扇的直径最大都可以达到7.3 m，满载风量超过10 000 m3，覆盖面积超过 1 400 m2。

目前，绝大多数大型风扇驱动主要采用异步电动机配合减速机一起使用的方式，由于该电机功率因数低、能耗较高、调速性能差，还必须使用减速机变速，造成风扇传动部件复杂、体积大和重量增加。针对上述问题，研发出了一种基于永磁同步电机技术、独特外转子大扭矩设计的新型风扇[1]，图1是大型永磁无刷风扇实例图。较传统的异步电机，它消除了齿轮减速机的摩擦能耗，因此扭矩更高。由于省去了减速机，可大大缩小风扇传动部件的体积，减轻重量，从而使风扇结构更紧凑更合理，运行效率高。

1 大型永磁无刷风扇的永磁同步电机

大型永磁无刷风扇结合了空气动力学、传动力学、脉宽调制控制技术、机械力学和仿真模拟技术等一系列综合学科技术，采用先进的精密加工设备制造而成。大型永磁无刷风扇核心部件是永磁同步电机，它的好坏、性能优劣直接影响到风扇的运行性能及维护保养周期，性能优良的永磁同步电机可以增强工业风扇的使用效率，延长使用时间。

图1 大型永磁无刷风扇

永磁同步电机相比于传统的异步电机，拥有高级数、低芯损、长寿命、低噪声和转速范围宽等优良特性，永磁同步电机的功率因数，不受电机极数的影响，便于设计成多级电机，例如可以达100级以上，因此在低速环境下可以提供更大扭矩，从而提高电机性能。图2和图3分别是传统无刷直驱电机极数和永磁同步电机极数图。对于那些传统需要通过减速机来驱动负载的电机，可以制造出直接应用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去减速机，缩小动力部分体积，消除传动损耗，提高传动效率。

图2 传统无刷直驱电机极数

图3 永磁同步电机极数

2 变频控制

随着永磁无刷电机控制技术的进步以及国家对节能环保的要求，为了能够满足更多操控性能复杂产品的需求，促使永磁直流无刷电机控制技术逐渐成熟。变频器从二十世纪七十年代取得突破以来，经过多年发展，已经广泛应用于各行各业，目前正朝着体积小型化、多功能化、高性能化、控制手段的全数字化、主控一体化及具有环保功能化方向发展[2]。将变频器与永磁直流无刷电机控制系统相结合，其适用范围更广，节能环保效果更理想。

根据永磁无刷电机的驱动原理，利用交流变频调速是最方便和高效率的调速方法。通过控制永磁同步电机的输入电流，从而改变定子的磁力方向，产生推动力，驱动转子旋转，而且可采用闭环控制系统[3]，监测和分析转速、转矩，再根据需要自动调节功率及风量。

变频技术在大型永磁无刷风扇上的运用提高了自动化水平，在保证空间通风质量的同时，达到了节能降耗和提高经济效益的目的。为大型永磁无刷风扇配套的变频器具有以下优点：1)通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速慢慢上升，以实现软启动；2)可以获得很广的调速范围，以实现风量的自动控制；3)由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率变动，防止振荡和失步；4)调节精度较高，因此节能效果好，而且其运行中的安全性能也非常高。

3 节能分析

永磁同步电机相比于异步电机的损耗更少。其中，定子铜耗相对于异步电机变化更少的原因是永磁同步电机定子电流减少。由于永磁同步电机是同步运转，无滑差，所以转子铁耗更少且几乎没有转子铜耗。永磁同步电机采用了低损耗的硅钢片，从而定子铁耗少。永磁同步电机不需要励磁线圈，这样也就避免了励磁线圈的损耗。再加上永磁同步电机的功率因数也相对较小，所以其总体损耗比异步电机大大降低，因而效率大大提高，因此永磁同步电机可达到一级能耗，相对于异步电机它的节能效果好[4]。

大型永磁无刷风扇具有独特的流线型扇叶设计，可以将阻力减至最小。这样不仅能覆盖大面积的范围，而且转速低，功率小，能将电能最高效地转化为空气的动能，会为每个位置送来全方位的微风。

另外，大型永磁无刷风扇形成的气流结构和普通的小风扇不同，小风扇只能覆盖风扇直径的范围，而在一个开阔的场所，大型永磁无刷风扇将气流竖直推向地面，会在地面上形成1～3 m的气流层，从而形成了不局限于此风扇直径下方的超大覆盖面积。这样就可以保证作业区内通风和干燥，所带来的舒适度也是其它风扇所无法比拟的。

以一台直径7.3 m的大型永磁无刷风扇为例，其覆盖的面积约为33个直径为0.75 m小型风扇的覆盖面积，假如在一个9 000 m2的厂房里，希望达到全面覆盖效果，需要小型风扇约300台，而采用直径为7.3 m的大型永磁无刷风扇仅仅需要9台。按使用4年，每年运行8个月，每天10 h计算，合计运行约10 000 h，采用大型永磁无刷风扇耗电为72 000 kW·h，而采用小型风扇需耗电360 000 kW·h，相比于小型风扇可节电288 000 kW·h，节能达80%。如果同时将此风扇辅助空调使用，夏季，扇叶片正转，能加快室内冷气的流动，既能节省能源，还可以防止空调病；冬季，扇叶片反转，能增强暖气的对流，消除热流分层，节省能源。据测算，采用大型永磁无刷风扇配合空调使用节能可达30%以上。因此，从健康环保角度看，大型永磁无刷风扇的市场潜力巨大。

4 结语

在坚持绿色发展的今天，健康环保越来越成为大家关心的话题，发展通风设备绿色产业的呼声也越来越高。随着永磁同步电机替代传统交流异步电机的应用，不仅可以省去减速机等传动装置，而且可以大大缩小工业风扇传动部件的体积，使工业风扇的结构更紧凑更合理。若再配合变频控制技术，永磁无刷风扇更能适应恶劣的环境，还可以取得较好的节能效果，但初投资费用较高，因此，还需降低永磁无刷风扇的制造成本，以适应更广范围的需求。