摘 要： 近年來，各式各樣的節能產品不斷涌現,而用于動力系統的節電還都局限于“變頻調速”技術，僅靠減速節電雖然有些效果，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站和第一層的國際航線到達站，將第二層的國內航線出發站、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，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
變翼式軸流風機通過調節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的風量調節，且調節范圍大，可達30%-100%。
比較高的節能效果
用普通變頻器驅動風機，通過減速實現風量調節時，其節能效果與轉速（風量）的3次方呈正比。而使用變翼式軸流風機通過調節羽翼的角度改變風量，仍可以實現其節能效果與角度（風量）的3次方呈正比。但相對使用普通變頻器調節風量，變翼式軸流風機具有無諧波，無自損，低價格，風量調節范圍大等優點，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，風量調節范圍大且風壓穩定。
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：閥門或擋板的調節方式。低效率，不節能。
從以上的①～④曲線可知變翼式軸流風機的特性曲線優于普通變頻器 ，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點，但其僅僅考慮了風機本身無自損，調節范圍大等特點，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. 超能士電機節電器的三大功能特點
超能士電機節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+負載跟蹤節電：
隨著電動機轉速的降低，此時節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特性節電的基礎上，再一層提高功率因數節電；
（2） 變速（包括50HZ）運行+負載跟蹤節電：
電機不論恒速運行在任何頻率狀態，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，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、 直接節電效果和間接經濟效益
1. 直接的節電效果:
超能士節電控制系統自2011年8月投入運行后，連續運行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,每月可節電40,000KWh，節約電費約60萬日元（折合人民幣近50,000元），全年節約電費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年間的節電量: 1,920MKWh/年×10年＝19,200MKWh
2． 10年間的節電費: 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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