摘要：本文介紹了風(fēng)機節(jié)電原理，詳細闡述了風(fēng)機采用負載跟蹤功率因數(shù)優(yōu)化的變頻技術(shù)節(jié)電措施，對礦建銀山球團廠2#北側(cè)助燃風(fēng)機進行了變頻調(diào)速技術(shù)改造，改造后節(jié)電效果明顯。

    關(guān)鍵詞：風(fēng)機；節(jié)電；變頻技術(shù)；應(yīng)用

    1 引言

    萊鋼集團礦山建設(shè)有限公司銀山球團廠（以下簡稱“礦建銀山球團廠” ）風(fēng)機在所有用電設(shè)備中的用電量占總用電量的50%以上，而風(fēng)機在實際應(yīng)用當中，很少與現(xiàn)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(diào)節(jié)，以適應(yīng)和滿足工藝的要求。礦建銀山球團廠所采用的流量調(diào)節(jié)方法大部分是改變擋板角度與閘閥開度，這種調(diào)節(jié)方式會使設(shè)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(shù)優(yōu)化的變頻技術(shù)，通過改變電源的頻率而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變，近而達到控制調(diào)節(jié)流量的目的。不但可以延長設(shè)備的使用壽命，同時可以節(jié)約大量的能源。

    2 風(fēng)機節(jié)電原理

    風(fēng)機屬平方轉(zhuǎn)矩負載，而風(fēng)屬流體，根據(jù)流體力學(xué)規(guī)律，那么軸功率、壓力、轉(zhuǎn)速、流量之間有以下關(guān)系：流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

                                    表1 軸功率、壓力、轉(zhuǎn)速、流量關(guān)系表
       
                 

    如設(shè)備需對風(fēng)流量進行控制，適當降低轉(zhuǎn)速、調(diào)整流量可達到節(jié)電的目的。例如：由表1可知，當流量減少10%時，節(jié)電率可達到27.1%，降低50%時，節(jié)電率可達到87.5%。

    3 風(fēng)機節(jié)電措施

    3.1 不改變轉(zhuǎn)速

    有些使用場合不允許改變電機的轉(zhuǎn)速，那么在不改變電機頻率（轉(zhuǎn)速）的情況下，主要針對電機與負載空間而節(jié)電。其主要原理是根據(jù)其功率因素和負載率的變化[1]。優(yōu)化其功率輸出，使電機輸出轉(zhuǎn)矩接近風(fēng)機實際需要的轉(zhuǎn)矩（即電機輸出功率接近軸功率），達到節(jié)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(xiàn)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(jié)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(dǎo)通時負載所獲得的功率，即電機的額定功率，n1為晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)，n2為晶閘管未導(dǎo)通的周波數(shù)。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(shù)。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(shù)）只與運行電壓與電流和n1/（n1+n2）晶閘管通斷比有關(guān)。而晶閘管的通斷比即可決定電壓U。因此只要能夠根據(jù)檢測到的功率因數(shù)值動態(tài)調(diào)整通斷比即可。

    對于風(fēng)機來說即便是輕載大部分情況是恒定的輕載，根據(jù)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(xiàn)優(yōu)化功率的功能。在變頻技術(shù)的應(yīng)用當中，融入節(jié)電技術(shù)而實現(xiàn)。

    3.2 改變轉(zhuǎn)速

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

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

    4 風(fēng)機變頻調(diào)速節(jié)電應(yīng)用

    根據(jù)礦建銀山球團廠實際情況和各種因素，對2#北側(cè)助燃風(fēng)機進行了變頻調(diào)速改造，以達到節(jié)電的目的。

    4.1 設(shè)備選型^[2]

    2#北側(cè)助燃風(fēng)機設(shè)備參數(shù)及運行，如表2所示。

    根據(jù)上表2我們選用威林（上海）能源科技有限公司ZNRSK75節(jié)電器，單價為150000元/臺，該節(jié)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(shù)優(yōu)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(cè)助燃
               

    4.2 投資回收預(yù)算

    （ 1 ） 節(jié)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(tǒng)一按85%計算)。

    （2）年節(jié)約電費=節(jié)電前每月（Kwh）×節(jié)電率（預(yù)估）×電價（元/度）×12（月）=45900×40%×0.55×12=121176.00元。

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

    4.3 實際運行效能

    經(jīng)過半年多的運行、觀察，表明此變頻調(diào)速系統(tǒng)可靠性高，節(jié)電效果較為明顯，節(jié)電約計260000kwh，節(jié)電率約計37%，節(jié)省電費約為143000元。

    5 結(jié)論

    當風(fēng)機設(shè)備需要調(diào)節(jié)流量時，采用變頻調(diào)速技術(shù)及負載跟蹤功率因素優(yōu)化，電源電壓與電流均發(fā)生了變化，消除了因電壓偏高而導(dǎo)致的浪費，電機的功率因素與效率得到了提高，節(jié)電效果也非常明顯。

    參考文獻:

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

    [2] 日立中國有限公司.日立變頻調(diào)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(yè)于北華大學(xué)自動化專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)任萊鋼集團礦山建設(shè)有限公司技術(shù)開發(fā)部助理工程師，主要從事電氣自動化、節(jié)能技術(shù)研究工作。   

     摘自《自動化博覽》2011年第十一期