科技的结晶：变频技术在手术室与实验室净化系统中的应用与实

洁净空调系统中，送风量大，风机全压高，电机功率大。送风部分的电能耗在整个洁净空调系统电能耗中占很大的比率。本文分析了洁净空调系统中应用变频技术及自动控制，有效降低能耗的情况。

1.引言

中央空调系统运行过程中的能耗分为三个部分：冷源设备能耗；循环水系统能耗；送风系统能耗。洁净空调系统由于换气次数高，送风量大，是普通空调的3倍以上；送风管路的阻力大，是普通空调的4倍以上。因此，洁净空调系统的风机功率大，耗能高。在整个系统能耗中占很大的比重。选择一个合理可靠的控制方法，对降低洁净空调系统能耗有重要意义。

2.洁净空调送风系统分析

为了确保洁净厂房的洁净度，不仅需要大量的循环空气，而且，在空气的循环路径中设有初效过滤器，中效过滤器，高效过滤器。这些大风量高阻力环节，导致洁净空调系统中的风机的功率大，是普通空调的几倍甚至十几倍，某洁净厂房空调风管路采用典型的单风机形式，如图1。

风机所耗的电功率，与空气循环风量，循环回路阻力，的关系：

（1）

在（1）式中，为风机全压效率，为电动机效率。

设计选择风机及配套电机时，首先考虑是根据洁净工艺要求，计算所需循环风量，然后在经济合理的流速范围内，计算送风管道及设备的阻力来选择风机的压头。一般在工程设计中，将风量和阻力附加10%-15%做为余量；而在选择风机时，由于规格有限，选出的风机都会高于设计的风量和压头。

在传统的定速控制系统当中，通常用风量调节阀来改变阻力特性，使风量达到设计值。即浪费电能又影响设备的稳定运行。

在洁净空调循环风管路中有三组过滤器，初效过滤器、中效过滤器、和高效过滤器。在设计管路阻力时是按照三组过滤器的终阻力来计算的。而在实际运行中，三组过滤器的阻力是不断变化的，在过滤器刚清洗过或更换，其初阻力比终阻力小很多，这就导致风量严重超过设计值，按照采用调节风阀，增加阻力，来控制风量，就会浪费大量的电能。如果采用变频调速控制，不仅可以节约大量的电能耗，同时可以提高设备运行稳定性。

3.变速控制系统节能分析

电动机的转速与输入电源的频率成正比，即：

公式中，n、f、s、p分别表示电动机的转速、电源的频率、电动机的转差率和电动机的极数，采用变频器调节输入电源的频率以达到改变电动机速度的目的。根据流体力学原理，风机的风量Q，转速n，压力H，轴功率之间的关系如下：

Q∝n H∝n2， P∝n3

即：风量与转速成正比；压力与转速的平方正比；功率与转速的立方成正比。当电动机的转速由n1变化为n2时，风机的风量，压力、及轴功率的变化为：

这就是平方转矩类负载调速节能的基本原理。风机负载及工况变化的的特性曲线如图2。

根据工艺技术要求，设计风量Q0，计算风路阻力H0（过滤器终阻力状态），此时对应的理想工作点A。在采用定速控制，使电动机在额定转速下运行，工作点移至D点，对应的风量Q1，当过滤器在初阻力时，工作点甚至移到E点，对应的风量Q2，Q1，Q2的风量和阻力都远远超过设计值，浪费大量的电能；如果采用调节阀来控制风量，工作点就移到C点，虽然风量在额定值，却额外增加了风路阻力△H。也是浪费大量电能。总之，在定速系统中，控制风量是以增加风路阻力为代价，必然会浪费大量的能耗。

如果采用变频调速的方法来控制，设计要求的风量，风机运行曲线为n1曲线，所对应的工作点A，这是在终阻力状态下的工作点，当三组过滤器更新或刚清洗过，风路阻力小，通过检测信号，自动降低电机转速，使风机运行曲线变为n2曲线，所对应的工作点为B点，可以看到，随着过滤器的清洗或更新，阻力减小了，通过自动控制，使风量维持在设计风量Q0不变，电能耗随阻力减小而下降。

因此，设计一个变速自动控制系统，使电动机的转速随三组过滤器的阻力变化而变化，让送风系统工作在A点和B点之间，是洁净空调送风系统运行即稳定又节约能耗的重要举措。

4.带压力反馈的变频调速自动控制系统

根据上面分析，要到达送风系统节能运行，就必须是一个闭环的控制系统，图3是简单的送风系统闭环自动控制方框图。

运行过程是这样的：根据工艺所要求的风量Q0，设一个给定值，经过控制器和变频器使风机达到某个转速，系统就在设计的风量运行。经过一段时间的使用，三组过滤器越来越来脏，阻力也随之变大，经过压力传感器转化为4-20mA的控制信号变大了，反馈到PID调节控制器，提高变频器输出频率，提高风机的速度，使系统维持在设计的风量上运行；当三组过滤器清洗过或更换新过滤器，阻力小了，同样经过压力传感器转化为4-20mA的控制信号变小了，反馈给控制器，使变频器输出频率下降，风机转速也下降了，系统依然维持在设计风量运行。避免了在初阻力状态，风量远超设计值，而造成电能的浪费。带变频器自动调速控制电路图如图4。

5.结束语

传统的洁净空调循环风系统采用定速运行方式，依靠调节风阀来调节风量，不仅浪费大量的电能，同时也系统运行稳定性能差，噪音大，设备故障率高。改造后采用闭环变频自动调速控制，具有以下几个优点：

（1）电机启动、升速、降速、停机平稳。减小了对电网的冲击；降低设备振动噪音和磨损，减少了设备维修，延长设备的使用寿命。

（2）因变频器对电机具有欠电压、过电压、过电流及短路等的保护功能，是系统运行比原来更加安全可靠。

（3）在满足洁净度要求的情况下，电动机大多数时间运行在工频以下，节约电能的效果非常显著，经过改造前后对比，风机运行一年节约电能在35%左右。值得大力推广。