摘 要： 近年來，各式各樣的節(jié)能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),而用于動力系統(tǒng)的節(jié)電還都局限于“變頻調(diào)速”技術(shù)，僅靠減速節(jié)電雖然有些效果，但對于多數(shù)不能調(diào)速的電機(jī)設(shè)備卻無能為力。超能士電機(jī)節(jié)電器在覆蓋了變頻器功能的基礎(chǔ)上增加了變速負(fù)載跟蹤、恒速負(fù)載跟蹤功能，完全適用于允許減速和不允許減速的所有三相異步電機(jī)。本文中，闡述了超能士電機(jī)節(jié)電器在日本大阪關(guān)西國際空港大型變翼式軸流風(fēng)機(jī)上的節(jié)電方案及實(shí)施。
一、項(xiàng)目概況
日本大阪關(guān)西國際機(jī)場是日本第二大國際機(jī)場，位于距大阪南部大約50公里處的一個(gè)人工島上。機(jī)場的旅客航站樓，第四層的國際航線出發(fā)站和第一層的國際航線到達(dá)站，將第二層的國內(nèi)航線出發(fā)站、到達(dá)站夾在中間，從而形成了三明治式的構(gòu)造。航站樓內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)中采用了16臺110KW由日本FLAKT株式會社生產(chǎn)的大型變翼式軸流風(fēng)機(jī)(AXICO ANTI-STLL)。這16臺變翼式軸流風(fēng)機(jī),使用的110KW的電機(jī)全部運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速上，然而風(fēng)機(jī)的變翼角度均在一半的開度，雖然流量的減少使得電機(jī)的耗電量下降，但由于電機(jī)處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致電機(jī)的運(yùn)行效率及功率因數(shù)顯著下降，造成無功功率和有功功率的嚴(yán)重浪費(fèi)。16臺變翼式軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如下：
名稱 變翼式軸流風(fēng)機(jī)
電機(jī)的額定功率 110KW
電機(jī)的額定電壓 400V
電機(jī)的額定電流 196A
電機(jī)的運(yùn)行電流 80A-90A
電機(jī)的運(yùn)行有功功率 30KW-40KW
電機(jī)的運(yùn)行視在功率 62.4KVA-70KVA
電機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù) 0.4-0.5
二、變翼式軸流風(fēng)機(jī)特點(diǎn)與問題點(diǎn)
1. 特點(diǎn)
大范圍的風(fēng)量調(diào)節(jié)
變翼式軸流風(fēng)機(jī)通過調(diào)節(jié)羽翼的角度改變風(fēng)量，可以在無變頻器不改變轉(zhuǎn)速的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的風(fēng)量調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍大，可達(dá)30%-100%。
比較高的節(jié)能效果
用普通變頻器驅(qū)動風(fēng)機(jī)，通過減速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)，其節(jié)能效果與轉(zhuǎn)速（風(fēng)量）的3次方呈正比。而使用變翼式軸流風(fēng)機(jī)通過調(diào)節(jié)羽翼的角度改變風(fēng)量，仍可以實(shí)現(xiàn)其節(jié)能效果與角度（風(fēng)量）的3次方呈正比。但相對使用普通變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量，變翼式軸流風(fēng)機(jī)具有無諧波，無自損，低價(jià)格，風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，因此在國際上到了廣泛的使用。
從右圖中可以看出各種風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)備的比較：
曲線① 是風(fēng)機(jī)、電機(jī)、驅(qū)動裝置的綜合效率在100%時(shí)的理想曲線。
曲線② 變翼式軸流風(fēng)機(jī)的特性曲線。
無諧波，無自損，低價(jià)格，風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍大且風(fēng)壓穩(wěn)定。
曲線③ 普通變頻器調(diào)速的特性曲線。
諧波大，自損大，高價(jià)格。
曲線④：閥門或擋板的調(diào)節(jié)方式。低效率，不節(jié)能。
從以上的①～④曲線可知變翼式軸流風(fēng)機(jī)的特性曲線優(yōu)于普通變頻器 ，而曲線①則是最理想的特性曲線，從以下的說明可知，使用超能士即可實(shí)現(xiàn)曲線①最理想的特性曲線。
2.問題點(diǎn)
雖然變翼式軸流風(fēng)機(jī)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但其僅僅考慮了風(fēng)機(jī)本身無自損，調(diào)節(jié)范圍大等特點(diǎn)，卻帶來了在變翼時(shí)風(fēng)機(jī)負(fù)荷大幅減少而電機(jī)卻始終工作在額定電壓，額定轉(zhuǎn)速上從而使電機(jī)的運(yùn)行效率及功率因數(shù)顯著下降，銅損及鐵損增加，造成無功功率和有功功率的嚴(yán)重浪費(fèi)。
三. 采用“負(fù)載跟蹤”運(yùn)行模式解決變翼式軸流風(fēng)機(jī)的問題點(diǎn)
1. 超能士電機(jī)節(jié)電器的“負(fù)載跟蹤”運(yùn)行模式
實(shí)時(shí)檢測電機(jī)的負(fù)載率，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載從100%降到50%，而后降到30%，超能士電機(jī)節(jié)電器根據(jù)檢測到的負(fù)載變化，實(shí)時(shí)自動檢測數(shù)據(jù)，并在線調(diào)整電機(jī)的輸入電壓（V）和負(fù)載電流（I），使其工作點(diǎn)保持在X、Y、Z（拐點(diǎn)）的最佳工作點(diǎn)上。
2. 超能士電機(jī)節(jié)電器的三大功能特點(diǎn)
超能士電機(jī)節(jié)電器具有普通變頻器不具備的三大功能特點(diǎn)：
（1） 變速（減速）運(yùn)行+負(fù)載跟蹤節(jié)電：
隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，此時(shí)節(jié)電器根據(jù)負(fù)載率的變化，全范圍內(nèi)實(shí)時(shí)在線調(diào)整電動機(jī)的輸入功率，在V/F特性節(jié)電的基礎(chǔ)上，再一層提高功率因數(shù)節(jié)電；
（2） 變速（包括50HZ）運(yùn)行+負(fù)載跟蹤節(jié)電：
電機(jī)不論恒速運(yùn)行在任何頻率狀態(tài)，均能根據(jù)實(shí)際工況中負(fù)載率的變化,在線調(diào)整電機(jī)的輸入功率，提高功率因數(shù)節(jié)電。
（3）抗沖擊負(fù)載功能：對于現(xiàn)場存在的沖擊性負(fù)載狀況（如沖床、傳送帶的突然加載等），具有抗沖擊性負(fù)載功能，可瞬時(shí)提高輸入電壓（0.1秒內(nèi)上升電壓200V），滿足突然加載時(shí)對電機(jī)輸入功率的需要。
由于超能士電機(jī)節(jié)電器的以上功能特點(diǎn)，可以很好的解決變翼式軸流風(fēng)機(jī)的以上欠點(diǎn)，當(dāng)負(fù)
荷大幅減少時(shí)實(shí)時(shí)自動檢測電機(jī)的負(fù)載率，并在線調(diào)整電機(jī)的輸入電壓（V）和負(fù)載電流（I），使
變翼式軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)，電機(jī)的功率因數(shù)始終在0.96以上，無功功率幾乎減少
到0，有功功率可降低60%-70%，同時(shí)大幅度減少銅損、鐵損及溫升，大大的延長電機(jī)的壽命。
下圖是關(guān)西空港超能士控制變翼式軸流風(fēng)機(jī)的示意圖。
四. 采用超能士控制變翼式軸流風(fēng)機(jī)的實(shí)施方案
右圖是采用超能士控制變翼式軸流風(fēng)機(jī)的實(shí)施方案圖。
上位控制系統(tǒng)是日本山武株式會社的DCS控制系統(tǒng)，超能士作為子控制系統(tǒng)具備以下功能：
① 各種電量（電壓，電流，功率，轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)等）顯示，
② 風(fēng)壓負(fù)荷控制及顯示；
③ 運(yùn)行臺數(shù)及轉(zhuǎn)速控制；
④ “手動/自動”切換及手動調(diào)速；
⑤ “旁路”運(yùn)行功能；
⑥ “節(jié)電”運(yùn)行功能；
⑦ 接受上位系統(tǒng)的控制指令。
⑧ 過流，過載，欠壓，過熱，欠相等十幾種報(bào)警指示及復(fù)位；
⑨其他功能。
五、 直接節(jié)電效果和間接經(jīng)濟(jì)效益
1. 直接的節(jié)電效果:
超能士節(jié)電控制系統(tǒng)自2011年8月投入運(yùn)行后，連續(xù)運(yùn)行2個(gè)月以來，根據(jù)日本關(guān)西空港的實(shí)際測量考核結(jié)果，平均節(jié)電率63%。按一個(gè)機(jī)組4臺計(jì)算，安裝超能士前耗電量每月64,000KWh, 安裝超能士后耗電量每月24,000KWh,每月可節(jié)電40,000KWh，節(jié)約電費(fèi)約60萬日元（折合人民幣近50,000元），全年節(jié)約電費(fèi)720萬日元（折合人民幣近600,000元）。按超能士控制系統(tǒng)在日本的銷售價(jià)格，大約1年半可收回全部投資。第2期工程的3個(gè)機(jī)組12臺預(yù)計(jì)2012年2月底完工，投運(yùn)后4個(gè)機(jī)組共16臺全年可節(jié)電1,920MKWh, 約折合人民幣近240萬元,并可降低二氧化碳(CO2)76.8萬噸(日本1KW=0.4Kg的CO2)。
2. 間接的經(jīng)濟(jì)效益
超能士電機(jī)節(jié)電器的設(shè)計(jì)壽命為15年，如果按10年16臺的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如下：
1． 10年間的節(jié)電量: 1,920MKWh/年×10年＝19,200MKWh
2． 10年間的節(jié)電費(fèi): 240萬元/年×10年＝2,400日元
3． 10年間CO2的消減量: 76.8萬噸/年×10年＝768萬噸/年
4． 電流、電壓的降低帶來電機(jī)的鐵損、銅損、發(fā)熱的大幅減少，延長了電機(jī)的使用壽命及維修周期。
5． 過電流、過電壓、欠相、欠壓、過熱、瞬間斷電等異常均可實(shí)現(xiàn)保護(hù)，有效的保護(hù)了電機(jī)及事故的發(fā)生。
6． 軟啟動、軟停車功能，避免了起、停時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，設(shè)備的使用壽命及檢修周期都會大大延長。
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