摘 要： 近年來，各式各樣的節(jié)能產品不斷涌現,而用于動力系統的節(jié)電還都局限于“變頻調速”技術，僅靠減速節(jié)電雖然有些效果，但對于多數不能調速的電機設備卻無能為力。超能士電機節(jié)電器在覆蓋了變頻器功能的基礎上增加了變速負載跟蹤、恒速負載跟蹤功能，完全適用于允許減速和不允許減速的所有三相異步電機。本文中，闡述了超能士電機節(jié)電器在日本大阪關西國際空港大型變翼式軸流風機上的節(jié)電方案及實施。
一、項目概況
日本大阪關西國際機場是日本第二大國際機場，位于距大阪南部大約50公里處的一個人工島上。機場的旅客航站樓，第四層的國際航線出發(fā)站和第一層的國際航線到達站，將第二層的國內航線出發(fā)站、到達站夾在中間，從而形成了三明治式的構造。航站樓內空調系統中采用了16臺110KW由日本FLAKT株式會社生產的大型變翼式軸流風機(AXICO ANTI-STLL)。這16臺變翼式軸流風機,使用的110KW的電機全部運行在額定轉速上，然而風機的變翼角度均在一半的開度，雖然流量的減少使得電機的耗電量下降，但由于電機處于輕載運行狀態(tài)，導致電機的運行效率及功率因數顯著下降，造成無功功率和有功功率的嚴重浪費。16臺變翼式軸流風機的運行參數如下：
名稱 變翼式軸流風機
電機的額定功率 110KW
電機的額定電壓 400V
電機的額定電流 196A
電機的運行電流 80A-90A
電機的運行有功功率 30KW-40KW
電機的運行視在功率 62.4KVA-70KVA
電機的運行功率因數 0.4-0.5
二、變翼式軸流風機特點與問題點
1. 特點
大范圍的風量調節(jié)
變翼式軸流風機通過調節(jié)羽翼的角度改變風量，可以在無變頻器不改變轉速的情況下實現連續(xù)的風量調節(jié)，且調節(jié)范圍大，可達30%-100%。
比較高的節(jié)能效果
用普通變頻器驅動風機，通過減速實現風量調節(jié)時，其節(jié)能效果與轉速（風量）的3次方呈正比。而使用變翼式軸流風機通過調節(jié)羽翼的角度改變風量，仍可以實現其節(jié)能效果與角度（風量）的3次方呈正比。但相對使用普通變頻器調節(jié)風量，變翼式軸流風機具有無諧波，無自損，低價格，風量調節(jié)范圍大等優(yōu)點，因此在國際上到了廣泛的使用。
從右圖中可以看出各種風量調節(jié)設備的比較：
曲線① 是風機、電機、驅動裝置的綜合效率在100%時的理想曲線。
曲線② 變翼式軸流風機的特性曲線。
無諧波，無自損，低價格，風量調節(jié)范圍大且風壓穩(wěn)定。
曲線③ 普通變頻器調速的特性曲線。
諧波大，自損大，高價格。
曲線④：閥門或擋板的調節(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機的特性曲線優(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，使用超能士即可實現曲線①最理想的特性曲線。
2.問題點
雖然變翼式軸流風機有諸多的優(yōu)點，但其僅僅考慮了風機本身無自損，調節(jié)范圍大等特點，卻帶來了在變翼時風機負荷大幅減少而電機卻始終工作在額定電壓，額定轉速上從而使電機的運行效率及功率因數顯著下降，銅損及鐵損增加，造成無功功率和有功功率的嚴重浪費。
三. 采用“負載跟蹤”運行模式解決變翼式軸流風機的問題點
1. 超能士電機節(jié)電器的“負載跟蹤”運行模式
實時檢測電機的負載率，當電機的負載從100%降到50%，而后降到30%，超能士電機節(jié)電器根據檢測到的負載變化，實時自動檢測數據，并在線調整電機的輸入電壓（V）和負載電流（I），使其工作點保持在X、Y、Z（拐點）的最佳工作點上。
2. 超能士電機節(jié)電器的三大功能特點
超能士電機節(jié)電器具有普通變頻器不具備的三大功能特點：
（1） 變速（減速）運行+負載跟蹤節(jié)電：
隨著電動機轉速的降低，此時節(jié)電器根據負載率的變化，全范圍內實時在線調整電動機的輸入功率，在V/F特性節(jié)電的基礎上，再一層提高功率因數節(jié)電；
（2） 變速（包括50HZ）運行+負載跟蹤節(jié)電：
電機不論恒速運行在任何頻率狀態(tài)，均能根據實際工況中負載率的變化,在線調整電機的輸入功率，提高功率因數節(jié)電。
（3）抗沖擊負載功能：對于現場存在的沖擊性負載狀況（如沖床、傳送帶的突然加載等），具有抗沖擊性負載功能，可瞬時提高輸入電壓（0.1秒內上升電壓200V），滿足突然加載時對電機輸入功率的需要。
由于超能士電機節(jié)電器的以上功能特點，可以很好的解決變翼式軸流風機的以上欠點，當負
荷大幅減少時實時自動檢測電機的負載率，并在線調整電機的輸入電壓（V）和負載電流（I），使
變翼式軸流風機電機始終工作在最佳狀態(tài)，電機的功率因數始終在0.96以上，無功功率幾乎減少
到0，有功功率可降低60%-70%，同時大幅度減少銅損、鐵損及溫升，大大的延長電機的壽命。
下圖是關西空港超能士控制變翼式軸流風機的示意圖。
四. 采用超能士控制變翼式軸流風機的實施方案
右圖是采用超能士控制變翼式軸流風機的實施方案圖。
上位控制系統是日本山武株式會社的DCS控制系統，超能士作為子控制系統具備以下功能：
① 各種電量（電壓，電流，功率，轉速，功率因數等）顯示，
② 風壓負荷控制及顯示；
③ 運行臺數及轉速控制；
④ “手動/自動”切換及手動調速；
⑤ “旁路”運行功能；
⑥ “節(jié)電”運行功能；
⑦ 接受上位系統的控制指令。
⑧ 過流，過載，欠壓，過熱，欠相等十幾種報警指示及復位；
⑨其他功能。
五、 直接節(jié)電效果和間接經濟效益
1. 直接的節(jié)電效果:
超能士節(jié)電控制系統自2011年8月投入運行后，連續(xù)運行2個月以來，根據日本關西空港的實際測量考核結果，平均節(jié)電率63%。按一個機組4臺計算，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)約電費約60萬日元（折合人民幣近50,000元），全年節(jié)約電費720萬日元（折合人民幣近600,000元）。按超能士控制系統在日本的銷售價格，大約1年半可收回全部投資。第2期工程的3個機組12臺預計2012年2月底完工，投運后4個機組共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. 間接的經濟效益
超能士電機節(jié)電器的設計壽命為15年，如果按10年16臺的經濟效益計算如下：
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: 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的鐵損、銅損、發(fā)熱的大幅減少，延長了電機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現保護，有效的保護了電機及事故的發(fā)生。
6． 軟啟動、軟停車功能，避免了起、停時對電網的沖擊，設備的使用壽命及檢修周期都會大大延長。
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