《自动化博览》

    摘要：本文介绍了风机节电原理，详细阐述了风机采用负载跟踪功率因数优化的变频技术节电措施，对矿建银山球团厂2#北侧助燃风机进行了变频调速技术改造，改造后节电效果明显。

    关键词：风机；节电；变频技术；应用

    1 引言

    莱钢集团矿山建设有限公司银山球团厂（以下简称“矿建银山球团厂” ）风机在所有用电设备中的用电量占总用电量的50%以上，而风机在实际应用当中，很少与现场工艺要求完全匹配。大部分场合都需要对流量进行控制、调节，以适应和满足工艺的要求。矿建银山球团厂所采用的流量调节方法大部分是改变挡板角度与闸阀开度，这种调节方式会使设备的效率大大下降，造成极大的能源浪费，而且是一个全局性的问题，采用负载跟踪功率因数优化的变频技术，通过改变电源的频率而实现转速的改变，近而达到控制调节流量的目的。不但可以延长设备的使用寿命，同时可以节约大量的能源。

    2 风机节电原理

    风机属平方转矩负载，而风属流体，根据流体力学规律，那么轴功率、压力、转速、流量之间有以下关系：流量与转速的一次方成正比；压力与转速的二次方成正比；轴功率与转速的三次方成正比。

                                    表1 轴功率、压力、转速、流量关系表
       
                 

    如设备需对风流量进行控制，适当降低转速、调整流量可达到节电的目的。例如：由表1可知，当流量减少10%时，节电率可达到27.1%，降低50%时，节电率可达到87.5%。

    3 风机节电措施

    3.1 不改变转速

    有些使用场合不允许改变电机的转速，那么在不改变电机频率（转速）的情况下，主要针对电机与负载空间而节电。其主要原理是根据其功率因素和负载率的变化[1]。优化其功率输出，使电机输出转矩接近风机实际需要的转矩（即电机输出功率接近轴功率），达到节电的目的。在相当多的情况下，电机在工作中负载在不断变化，表现在实际工作电流的波动，有时接近额定值（或过载），有时却很小，这就要求功率输出也要随负载变化而变化，才能有好的节电效果。通常采用控制晶闸管通断比的方法，电动机负载的功率表示为：

    P=n1/(n1+n2)×Pe （1）

    式中Pe为晶闸管全导通时负载所获得的功率，即电机的额定功率，n1为晶闸管导通的周波数，n2为晶闸管未导通的周波数。而电机的输出功率表示为P=1.732IUCOS 。I为工作电流，U为实际工作电压。COS 为功率因数。那么

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

    从式中可看出当电机选定后，电机的额定功率Pe就定了。COS （功率因数）只与运行电压与电流和n1/（n1+n2）晶闸管通断比有关。而晶闸管的通断比即可决定电压U。因此只要能够根据检测到的功率因数值动态调整通断比即可。

    对于风机来说即便是轻载大部分情况是恒定的轻载，根据负载率确定一个适合的功率输出即可。变频器采用IGBT功率器件硬件可满足此要求。固化一个软件即可实现优化功率的功能。在变频技术的应用当中，融入节电技术而实现。

    3.2 改变转速

    工况所形成的空间主要是通过改变频率而改变风机的转速进而改变流量而实现节电的。我们知道：n=60f₁(1-s)/p (式中n为电机转速；f₁为电源频率；P为电机极对数；s为转差率)式中可看出电源f₁与电机转速n成正比，只要改变f₁，n也同比例变化。而流量与转速成正比，那么流量与频率也成正比。根据流体力学知识可知：P₁/P=(n₁/n)，P为风机在额定转速下的轴功率，P₁为转速变为n₁的轴功率，P1=(n₁/n)/P，即轴功率与转速的三次方成正比。当转速下降10%时，流量减少10%，由上式可算出轴功率为P₁=0.729P，节电率为27.1%；当转速下降20%时，流量也下降20%，同理可知轴功率为0.512P，节电率为48.8%。

    当采用负载跟踪功率因素优化及变频技术时，电源电压与电流均发生变化，消除了因电压偏高而导致的浪费。综上所述，采用以上节电措施后，电机的功率因素与效率得到了提高，节电效果也非常明显。

    4 风机变频调速节电应用

    根据矿建银山球团厂实际情况和各种因素，对2#北侧助燃风机进行了变频调速改造，以达到节电的目的。

    4.1 设备选型^[2]

    2#北侧助燃风机设备参数及运行，如表2所示。

    根据上表2我们选用威林（上海）能源科技有限公司ZNRSK75节电器，单价为150000元/台，该节电器使用的是日立L300P变频器，功率为75KW，具有负载跟踪功率因数优化的功能，可以在工频和变频两种运行方式下切换。
     
                   表2  2# 北侧助燃
               

    4.2 投资回收预算

    （ 1 ） 节电前每月耗电量= 功率（KW） × 负载率× 每天运行时间（H）×每月运行时间（天）=75×85%×24×30=45900Kwh(负载率为实际输出功率/额定功率，由于实际输出功率有浮动，为方便计算，我们统一按85%计算)。

    （2）年节约电费=节电前每月（Kwh）×节电率（预估）×电价（元/度）×12（月）=45900×40%×0.55×12=121176.00元。

    （3）投资回收期=设备投资（元）÷年节约电费（元）×12（月） =150000÷121176×12 =14.8月。

    4.3 实际运行效能

    经过半年多的运行、观察，表明此变频调速系统可靠性高，节电效果较为明显，节电约计260000kwh，节电率约计37%，节省电费约为143000元。

    5 结论

    当风机设备需要调节流量时，采用变频调速技术及负载跟踪功率因素优化，电源电压与电流均发生了变化，消除了因电压偏高而导致的浪费，电机的功率因素与效率得到了提高，节电效果也非常明显。

    参考文献:

    [1] 张燕宾.电动机变频调速图解[M].北京：中国水利水电出版设，2005.

    [2] 日立中国有限公司.日立变频调速器L300p系列使用说明手册[Z]，2009.

    邓树良（1982-）

    男，江西宜春人，2005年毕业于北华大学自动化专业，本科学历，现任莱钢集团矿山建设有限公司技术开发部助理工程师，主要从事电气自动化、节能技术研究工作。   

     摘自《自动化博览》2011年第十一期