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    摘要：本文介紹了風機節電原理，詳細闡述了風機采用負載跟蹤功率因數優化的變頻技術節電措施，對礦建銀山球團廠2#北側助燃風機進行了變頻調速技術改造，改造后節電效果明顯。

    關鍵詞：風機；節電；變頻技術；應用

    1 引言

    萊鋼集團礦山建設有限公司銀山球團廠（以下簡稱“礦建銀山球團廠” ）風機在所有用電設備中的用電量占總用電量的50%以上，而風機在實際應用當中，很少與現場工藝要求完全匹配。大部分場合都需要對流量進行控制、調節，以適應和滿足工藝的要求。礦建銀山球團廠所采用的流量調節方法大部分是改變擋板角度與閘閥開度，這種調節方式會使設備的效率大大下降，造成極大的能源浪費，而且是一個全局性的問題，采用負載跟蹤功率因數優化的變頻技術，通過改變電源的頻率而實現轉速的改變，近而達到控制調節流量的目的。不但可以延長設備的使用壽命，同時可以節約大量的能源。

    2 風機節電原理

    風機屬平方轉矩負載，而風屬流體，根據流體力學規律，那么軸功率、壓力、轉速、流量之間有以下關系：流量與轉速的一次方成正比；壓力與轉速的二次方成正比；軸功率與轉速的三次方成正比。

                                    表1 軸功率、壓力、轉速、流量關系表
       
                 

    如設備需對風流量進行控制，適當降低轉速、調整流量可達到節電的目的。例如：由表1可知，當流量減少10%時，節電率可達到27.1%，降低50%時，節電率可達到87.5%。

    3 風機節電措施

    3.1 不改變轉速

    有些使用場合不允許改變電機的轉速，那么在不改變電機頻率（轉速）的情況下，主要針對電機與負載空間而節電。其主要原理是根據其功率因素和負載率的變化[1]。優化其功率輸出，使電機輸出轉矩接近風機實際需要的轉矩（即電機輸出功率接近軸功率），達到節電的目的。在相當多的情況下，電機在工作中負載在不斷變化，表現在實際工作電流的波動，有時接近額定值（或過載），有時卻很小，這就要求功率輸出也要隨負載變化而變化，才能有好的節電效果。通常采用控制晶閘管通斷比的方法，電動機負載的功率表示為：

    P=n1/(n1+n2)×Pe （1）

    式中Pe為晶閘管全導通時負載所獲得的功率，即電機的額定功率，n1為晶閘管導通的周波數，n2為晶閘管未導通的周波數。而電機的輸出功率表示為P=1.732IUCOS 。I為工作電流，U為實際工作電壓。COS 為功率因數。那么

    COS =P/（1.732IU）=n1/(n1+n2)×Pe/1.732IU （2）

    從式中可看出當電機選定后，電機的額定功率Pe就定了。COS （功率因數）只與運行電壓與電流和n1/（n1+n2）晶閘管通斷比有關。而晶閘管的通斷比即可決定電壓U。因此只要能夠根據檢測到的功率因數值動態調整通斷比即可。

    對于風機來說即便是輕載大部分情況是恒定的輕載，根據負載率確定一個適合的功率輸出即可。變頻器采用IGBT功率器件硬件可滿足此要求。固化一個軟件即可實現優化功率的功能。在變頻技術的應用當中，融入節電技術而實現。

    3.2 改變轉速

    工況所形成的空間主要是通過改變頻率而改變風機的轉速進而改變流量而實現節電的。我們知道：n=60f₁(1-s)/p (式中n為電機轉速；f₁為電源頻率；P為電機極對數；s為轉差率)式中可看出電源f₁與電機轉速n成正比，只要改變f₁，n也同比例變化。而流量與轉速成正比，那么流量與頻率也成正比。根據流體力學知識可知：P₁/P=(n₁/n)，P為風機在額定轉速下的軸功率，P₁為轉速變為n₁的軸功率，P1=(n₁/n)/P，即軸功率與轉速的三次方成正比。當轉速下降10%時，流量減少10%，由上式可算出軸功率為P₁=0.729P，節電率為27.1%；當轉速下降20%時，流量也下降20%，同理可知軸功率為0.512P，節電率為48.8%。

    當采用負載跟蹤功率因素優化及變頻技術時，電源電壓與電流均發生變化，消除了因電壓偏高而導致的浪費。綜上所述，采用以上節電措施后，電機的功率因素與效率得到了提高，節電效果也非常明顯。

    4 風機變頻調速節電應用

    根據礦建銀山球團廠實際情況和各種因素，對2#北側助燃風機進行了變頻調速改造，以達到節電的目的。

    4.1 設備選型^[2]

    2#北側助燃風機設備參數及運行，如表2所示。

    根據上表2我們選用威林（上海）能源科技有限公司ZNRSK75節電器，單價為150000元/臺，該節電器使用的是日立L300P變頻器，功率為75KW，具有負載跟蹤功率因數優化的功能，可以在工頻和變頻兩種運行方式下切換。
     
                   表2  2# 北側助燃
               

    4.2 投資回收預算

    （ 1 ） 節電前每月耗電量= 功率（KW） × 負載率× 每天運行時間（H）×每月運行時間（天）=75×85%×24×30=45900Kwh(負載率為實際輸出功率/額定功率，由于實際輸出功率有浮動，為方便計算，我們統一按85%計算)。

    （2）年節約電費=節電前每月（Kwh）×節電率（預估）×電價（元/度）×12（月）=45900×40%×0.55×12=121176.00元。

    （3）投資回收期=設備投資（元）÷年節約電費（元）×12（月） =150000÷121176×12 =14.8月。

    4.3 實際運行效能

    經過半年多的運行、觀察，表明此變頻調速系統可靠性高，節電效果較為明顯，節電約計260000kwh，節電率約計37%，節省電費約為143000元。

    5 結論

    當風機設備需要調節流量時，采用變頻調速技術及負載跟蹤功率因素優化，電源電壓與電流均發生了變化，消除了因電壓偏高而導致的浪費，電機的功率因素與效率得到了提高，節電效果也非常明顯。

    參考文獻:

    [1] 張燕賓.電動機變頻調速圖解[M].北京：中國水利水電出版設，2005.

    [2] 日立中國有限公司.日立變頻調速器L300p系列使用說明手冊[Z]，2009.

    鄧樹良（1982-）

    男，江西宜春人，2005年畢業于北華大學自動化專業，本科學歷，現任萊鋼集團礦山建設有限公司技術開發部助理工程師，主要從事電氣自動化、節能技術研究工作。   

     摘自《自動化博覽》2011年第十一期