李冬冬 LI Dong-dong；苏成仁 SU Cheng-ren
（甘肃民族师范学院物理系，合作 747000）
摘要：多翼式离心通风机排气流量太大，需要降低排气量，这里提出三种改造方案，以供决策者改造选择使用。方案之一改变电动机和风机之间传动转速比降低排气量；方案之二遮挡风轮叶片减少多翼式离心通风机排气量；方案之三用变频技术降低风机转速减少风机排气量。这三种改造方案里前两者简单易行，节约改造费，但没有长期的节电效益，用变频技术降低风机转速虽然改造投入较大，但可以节约电机耗电量，也能降低风机噪音。
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关键词 ：转速比；风机叶轮；变频器
中图分类号：TH432 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）26-0230-03
作者简介：李冬冬（1993-），男，土族，甘肃永靖人，甘肃民族师范学院物理与水电工程系物理专业在读大学生，现在主要完成学业课程，另外跟随苏成仁老师从事电磁学和电子线路方面的探讨研究；苏成仁（1959-）（指导教师），男，甘肃成县人，甘肃民族师范学院物理与水电工程系物理教授，实验室主任，主要从事教学和应用物理研究工作，在《电源技术》、《应用光学》、《低温与超导》、《Computational Materials Science》等中文核心和SCI期刊发表论文数篇，参与甘肃省科技厅科技支撑项目“农牧区太阳能光伏CDMA/GSM信号处理器的应用研究”（项目编号：1104GKCP013）等。
0 引言
据甘肃民族师范学院天之蓝餐厅工作人员反映，操作间通风机的吸风量太大，刚刚做好的饭菜一会就凉了，师生们每天就餐吃的饭菜都不太热，餐厅工作人员要求降低通风机的吸风量，总务处希望物理系对此提出改造方案，经过实地考察，这里提出几种改造方案，供相关类似决策者参考选择使用。
1 原通风机情况
实地擦看天之蓝餐厅的通风情况，每个操作间后厨都有一个吸风通道通向楼顶，在楼顶的通道出口安装有多翼式离心通风机，楼顶共有12台多翼式离心通风机，这些通风机的功率分别是15kW的7台、11kW的1台、7.5kW的4台，其中就15kW的风机铭牌标有“流量23393-39345m3/h” “转速720r/min”,在电动机铭牌上标有“功率15kW”、“转速1460r/min”，电动机和风机之间用皮带轮、三角皮带带动。通风机铭牌如图1所示。
电动机铭牌如图2所示。
在其配电开关柜里安装有总空气开关和六路分空气开关，如图3所示。
在通往风机的电路上装有自耦减压启动柜铭牌如图4所示。
2 三种改造方案
2.1 机械改造方法减少吸风量
为了减少通风机的吸风量，必须降低通风机的转速，降低转速的机械改造方法就是改变转动传递的转速比，因为皮带传输中主动轮和从动轮在相等时间里通过的皮带相等，所以要降低。
在改变电动机安装位置的情况下更换皮带轮，就要按比例减小电动机皮带轮的直径（主动轮）、增大通风机皮带轮的直径（从动轮），要考虑特定三角皮带的长短尺寸。在只改变电动机的皮带轮直径或风机皮带轮直径的情况下就要重新改变电动机的安装位置。
机械改造方法简单易行，只需制作更换电动机的皮带轮和挪移电动机的安装位置即可，所需经费不多。它在不改变电动机转速的前提下降低了风机的转速降低了吸风量，但电机的耗电不变，电机的噪音也不会减小。
2.2 改变遮挡风轮叶片减少吸风量
这里需要改造的风机都是多翼式离心通风机，多翼式离心通风机的吸气核心是多翼式离心风轮叶片转动吸气，其多翼式离心风轮的叶片如图5所示。
在不降低电动机转速的前提下，利用流体力学原理的方法减少吸气流量，其叶片的安装角是决定吸风量大小的一个关键因素，因此对这种风机可以改变叶片进口安装角来减小它的吸风量[1]，但在风轮叶片固定的情况下，又不能更换蜗壳和配套叶轮的情况下只能另想它法。这里另外提出了利用遮挡风轮叶片进口面的方法对称地遮挡部分离心风轮的叶片，使其不能吸气以减少吸气流量，这就是在多翼式离心风轮叶片的内部进气端用薄铝片制成对称遮挡护套遮挡部分离心风轮叶片的吸气功能，但是如果对多个叶片遮挡就会使被遮挡的地方叶道扩张角过大，容易引起气流边界层分离，气流可能得不到加速，吸风波动增大，噪音增大[2]，所以这里采用间隔两个风道遮挡一个风道，以减小气流边界层分离。如图6所示，选择薄铝片是因为铝的密度小，相应的转动惯量改变小，易于风轮转动平衡（简称动平衡），要求对称遮挡的原因有两个，一是有利于风轮转动平衡，二是有利于风轮风阻平衡。对于高速转动的东西改装后一般需要做转动平衡试验和调整，但从铭牌上看本风机的转速只有720r/min，也就是12r/s，改造后不需要做动平衡试验。
改造后风机叶轮如图6所示。
这种在不改变风机转速的前提下利用流体力学原理遮挡多翼式离心风轮的部分叶片减少吸风量的方法，简单易行，只需制作安装铝遮挡片即可，所需经费不多。因为三相异步电动机的工作效率与功率因数随负载的变化规律是空载时，功率因数较小，接近满负荷时达到最大值。所以电机的耗电不变，电机的噪音也不会减小。
2.3 变频技术法降低风机转速减少吸风量
变频调速是电动机调速方式中最理想的方案，过去受价格和可靠性及容量等因素的限制，在风机市场一直未得到广泛应用。近年来，随着电力电子器件和控制技术的迅速发展，变频器价格不断下降，可靠性不断增加，模块化的设计使变频器的容量几乎不受限制，因此广泛应用到电动机的调速领域。变频调速的方法就是降低风机转速减少吸风量，这种方法就是在380V的市电和风机之间加上变频器，用变频器把380V 50Hz的市电变成所需频率及电压的电流，以改变电机的转速、扭矩和输出功率。它可以设定当前风机转速（720r/min）内的任意转速，可以减少风机吸气流量。
变频技术法方在降低风机转速减少吸风量的同时可以节约电机耗电量，也能降低风机噪音，但这种改造需要安装和风机电动机配套的变频器，按照市场价每个15kW的变频器价格为5000元左右，除变频器外还需开关、导线、变频柜、还要安装改造工费等，改装一个风机大约需要有8000元左右，12个风机全部改造约需10万元左右，所需经费较多。但从长远来看它节电的经济效益也比较可观[3]，据估算半年节约的电费就可以节约改造费用。
具体算法如下：
现有风机总功率15kW*7+11kW+7.5kW*4=191kW
改造前风机年耗电费，按风机每天工作12小时，一年工作300天算，一年总耗电是：191kW*12h*300=687600kW·h（度电），每度电费0.5元，一年343800元（约34万元）。
根据风机的有关研究资料知道，离心风机的耗电量与转速的立方成正比，如果使用调频技术让风机转速减少一半，由比例式可以算出，这些风机的总耗电费将减少为原来的八分之一，即42975元（约4.3万元），这样每年节省电费约30万元，不到半年的电费就可节约出10万元的改造成本。
变频调速的具体方法是在风机的电机和电源之间加上合适的变频调速器即可。变频器把市电（380V、50Hz）通过整流滤波电路变成平滑直流，然后用可控的环形计数器控制半导体器件（GTO、GTR或IGBT）把直流电变成可变电压和可变频率的三相交流电驱动异步电机，它采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使变频器输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机。这里选用通用V5/F5系列变频器，15kW的用F5/V5-4015型号；11kW的用F5/V5-4011型号；7.5kW的用F5/V5-47P5型号[4]。变频器接线图如图7所示。
3 结论
通过上述三种方案分析可知，改变电动机和风机之间传动转速比降低排气量和遮挡风轮叶片减少多翼式离心通风机排气量简单易行，节约改造费，但没有长期的经济效益，用变频技术降低风机转速虽然改造投入较大，但可以节约电机耗电量，也能降低风机噪音，在费用许可的情况下采用变频技术方法降低风机转速减少吸风量的策略有最好的经济效益。
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参考文献：
[1]席光，周莉，丁海萍.叶片扩压器进口安装角对离心压缩机性能影响的数值与实验研究[J].工程热物理学报，2006，27（1）.
[2]韩非非，席德科.多翼离心风机数值计算及改进设计研究[J].机械科学与技术，2010，29（8）.
[3]徐甫荣.大功率风机水泵调速节能的技术经济分析（2）[J].电源技术应用，2002，5（1）：649-656.
[4]V5/F5.通用变频器V5/F5系列操作手册[Z].2008，10：56.