山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨風機、羅茨鼓風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。此類產品已廣泛應用于電力、污水處理、環保、化工、鋼鐵、建材、農藥、制藥等行業。產品和服務遠銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。
1 羅茨風機自動調節功率問題
對于羅茨風機系統來說，由于交流電動機自身沒有功耗調節裝置，不能像鍋爐主機一樣自動調節輸入輸出功率，當系統負荷下降以后，羅茨風機系統仍不得不以最大轉速運行，造成實際耗電大量浪費的現象。如果安裝WG2008系列智能節電一體柜系統，就能根據實際負荷量的大小，動態地自動或手動調節鼓風引風量和消耗功率，把系統不需要的那部分耗電節省下來。（一般節電率可達30%-70%左右）
2 電動機輕載運行時的低效率問題
由于電動機的負載特性在負載發生變化時是由無數條負載特性U/I曲線組成的。因此，單純改變電動機的電源頻率并不能最大限度達到節能的目的。
當電機負荷減小時，電流曲線的最低點會發生平移，此時如果不能及時找到電流曲線的最低工作點并輸出相應的電壓值，仍會有較大一部分電能被白白浪費掉（大致在7%―10%左右）
3 節電原理
羅茨風機屬平方轉矩負載，根據流體力學的知識可知：
①羅茨風機的流量與水泵的轉速成正比；
②羅茨鼓風機的揚程與轉速的平方成正比；
③羅茨風機的軸功率與轉速的立方成正比。
也就是說當羅茨風機轉速下降20%時，流量也同比例下降了20%，但揚程卻下降了（h-ho）/h×100%=[h（1-0.64）]/h×100%=36%，軸功率下降了48.8%，這時的軸功率即為節電率。當轉速下降時揚程以轉速的平方形式下降，軸功率則以轉速的立方形式下降，而流量只是同比例下降（見表1）。
羅茨風機的使用率比較高，造型容量都比較大，但在實際使用過程中時大時小甚至及小，而羅茨風機仍舊按照額定的功率運行，故而造成了浪費。現通過VF2000系列變頻器恒溫自動控制來進行節能改造，在按實際溫度需求量的情況下進行節能，這樣既不影響生產又能達到更好的節能效果。
從流體力學的理論角度分析：
羅茨風機的流量與轉速成一次方關系：Q11/n1∝Q2/n2
羅茨風機的功率與轉速成三次方關系：P1/（n1）3∝P2/（n2）3
4 采用變頻節能裝置的優點、特點
4.1 矢量控制電機參數自動調節
特點：內建動態參數自動調節功能，可自動識別電機參數，確保系統的穩定性和精確性。變頻器運轉在無感矢量控制演算系統，提供額外的轉矩補償電壓，除了補償負載增加造成的轉差，并且增加電機低速運轉轉矩。
優點：實現參數可以用自動調諧，低頻轉矩大，轉速精度高。采用先進的可編程式端子，并且配合各種產業機械常用的預設功能，可讓用戶隨心所欲地發揮本產品的許多附加功值。
4.2 諧波小
WG2008系列變頻器大功率都內置有直流電抗器減小了諧波，也提高了對電源動態干擾的抵抗力。
設備在全電壓啟動、運行、停止的過程中，由于無法及時有效地調節設備，會使機械產生嚴重震動并且噪音增加等現象，這些現象都有極大的破壞性，并會增加進線變壓器的負荷狀況。采用WG2008系列變頻智能控制系統后，可以通過延長升、降速時間來延長起動或停機的過程，即使在運行過程中，也要通過對工作頻率點的選擇，跳過容易引起設備共振的工作點，從而使軸承的磨損減輕，設備的工作壽命延長。
5 控制原理
由于羅茨鼓風機系統中設備的設計和選用是根據系統在外部環境、溫度條件最差，設備的各支路滿負荷運行，再加上一定設計余量來確定的，但實際使用中，絕大多數時間羅茨風機系統是在非滿負荷狀態下運行，這樣系統長時間工作于低效率狀態，有時甚至出現風門關閉而羅茨風機仍不得不全速運行的現象，造成很大的能源浪費，因此，具有極大的節能潛力。
根據國際通行的“最低限度滿足使用”的原則，通過直接控制結果變量，對系統進行運行工況實時跟蹤，自動調節羅茨風機的運行狀況，使系統始終保持在高效節能和最佳的運行狀態。
6 綜述
采用變頻器恒溫自動控制來進行節能改造，設立參數自動調節功能，可自動識別電機參數，確保系統的穩定性和精確性。變頻器運轉在無感矢量控制演算系統，提供額外的轉矩補償電壓，除了增加電機低速運轉轉矩之外，并且可以補償負載增加造成的轉差。
同時變頻器大功率都內置有直流電抗器減小了諧波，也提高了對電源動態干擾的抵抗力，從而使軸承的磨損也大大減輕，設備的工作壽命將大大延長。
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將原有羅茨式鼓風機改造成由永磁伺服電機、伺服驅動器、鋁合金葉輪、控制系統型鼓風機。
1、高效永磁伺服電機
永磁同步伺服電機最高轉速可達10萬轉，具有95%以上的高效率，與其他一般電機不同，具有良好的冷卻效果；
2、鋁合金葉輪
采用高強度航空鋁合金材質葉輪，五軸加工中心高速銑削成型，設計精度可達到0.001毫米保證運行高效，采用先進的表面處理工藝在惡劣環境中保持高效率運行，鋁合金材料非常輕適合高速旋轉中運行。
3、懸浮軸承
100%純無油懸浮軸承，沒有機械性的摩擦，使用壽命可達半永久性，無機械性震動，單純輸送空氣，在高溫下能夠穩定啟動。
4、伺服驅動器
永磁高速電機采用經過驗證的最新型變頻系統，
優化電機冷卻控制器布線，專用散熱裝置，通過
伺服控制器產生的熱量不需機體內排出通過電機
吸入排出。
5、控制系統
采用PLC控制系統，觸摸屏上設置或顯示流量、
功率、轉速、出風壓力、溫度等信息，可實現就地
、遠程控制，豐富的控制模式（定壓力、定流量、
定轉速、比例控制、手動控制）滿足現場使用要求
羅茨鼓風機的節能改造
摘要 : 通過對羅茨鼓風機變轉速工作特性的分析,對系統進行了變頻調速改造。運行效果表明 , 變頻調速改造后的節能效果顯著。
1 引言
羅茨鼓風機是均苯四甲酸二酐生產裝置中的關鍵設備 , 也是最大的耗電設備。我院實訓基地均苯四甲酸二酐裝置中的羅茨鼓風機為
RF240型,其額定工況參數為流量Q=56m3/min,轉速n=800rPmin,功率N=75kW;驅動電機為Y315S-6型三相異步電動機。均苯四甲酸二酐裝置生產時,需根據生產負荷、季節、反應情況隨時調節進入裝置的風量,裝置運行近兩年來,一直工作在欠載狀態,部分風量經旁路放空,造成能源嚴重浪費。根據本裝置的運行數據統計,羅茨鼓風機工作時的流量一般為額定流量的70%～80%,即所消耗的電能有20%～30%通過放空被浪費掉了。同時,在放空過程中噪聲很大,達到110dB
。對羅茨鼓風機進行節能改造有著顯著的經濟和環境效應。
2 羅茨鼓風機節能改造方法的確定
羅茨鼓風機屬容積回轉式風機 , 其工作特點是當轉速一定而壓力在允許范圍內加以調節時 , 流量的變動甚微 ;
轉速和流量之間保持正比的關系。采用旁路調節法不能改變羅茨鼓風機的吸氣量 , 所以風機始終在滿負荷下運行 , 無法節能。而改變轉速 , 使風機吸氣量發生變化
, 其功率消耗也隨之改變。所以 , 對羅茨鼓風機進行變速調節就可達到節能的目的 , 而調速方法也較多。
經過比較可知,在幾種調節方法中,變頻調速技術最為先進,它只需通過調節供電電源頻率大小,改變電機轉速,即可達到調節羅茨鼓風機流量的目的,而且變頻調速效率高,調速性能好,調速改造方便。因此,決定采用變頻調速技術對羅茨鼓風機進行技術改造,不但可達到節能目的,同時也可提高裝置的自動控制水平。
3、羅茨鼓風機變頻調速改造
3.1羅茨鼓風機變轉速工作特性
3.1.1流量特性
3.2 變頻調速的工作原理
變頻調速的主要工作原理是將三相交流工頻電源經大功率整流元件整流 , 變成直流 , 再將直流電用正弦波脈寬調制技術 ( SPWM)
逆變為頻率可調、幅度亦隨之改變的三相交流電 , 以此為電源供給電機使用 ( 圖 1) , 可以根據需要將電源頻率調節到一定的值。
式中 n ———電機轉速 ,r/min
f ———電源頻率 ,Hz
P ———電機的磁極對數
s ———電機轉差率 , 額定負載時一般為 1.5% ～6% 之間 , 對確定的電機可視為定值由式 (5) 可知 , 轉速 n 正比于電源頻率
f , 調節f 就可以達到調節 n 的目的。
3.3 羅茨鼓風機變頻調速的控制方案
根據電機容量 , 選用 Schneider Altivar38 90kW變頻器。 Altivar 系列變頻器是一種靜止的變頻器
,適用于高速傳動、風機水泵類負載和各種恒轉矩負載的傳動 , 在惡劣環境中使用也能保持良好性能。其最大的特點是安裝簡便 , 參數顯示清晰 , 性能優越
( 具有自適應、自調整功能 ) , 堅固耐用 ( 電機傳動裝置具有自動保護 ) , 維護簡單、方便 , 節能效果明顯。
變頻器控制接線如圖2,此變頻調速系統有兩個主要特點。
(1) 保留原有的降壓啟動裝置 , 以備變頻器故障時使用。即羅茨鼓風機可在工頻與變頻兩種狀態下運行。變頻柜面板上“工頻
/變頻”選擇開關旋至工頻時 , 羅茨鼓風機將工作于原有的降壓啟動運行回路 ; 當選擇開關旋至變頻時 ,
羅茨鼓風機處于變頻運行狀態,風機的調速經變頻器進行控制。但應注意,在運行過程中,不得進行工頻/變頻切換。
(2) 變頻調速器的控制可以是自動的,也可以是手動的。將總控室面板上的“手動/自動”選擇開關 (圖2中SA1) 旋至手動時
,電機的調速將由多圈電位器來控制 ,
操作人員根據工藝或外界條件的變化,通過旋轉電位器來調整電機轉速；將選擇開關旋至自動時,電機的調速將由溫控儀表進行 PID控制,或由 DCS
系統進行控制。溫控儀表進行 PID控制與 DCS 系統控制可通過“儀表控制/DCS ”選擇開關 (圖2中SA2) 進行轉換。
4、變頻調速的運行效果
4.1 節能
現將變頻調速改造前后的裝置耗能進行比較( 以生產均四甲苯的負荷為30kg/h時) 。
(1)
改造前耗能(2003年4月)。羅茨鼓風機電機電流為110～120A,日耗電量1320～1440kWh,月耗電量39600～43200kWh。4月份實際電費
4.1萬元。
(2)改造后耗能(2003年5月)。羅茨鼓風機電機電流為70～85A,日耗電量840～1020kWh,月耗電量25200～30600kWh。5月份實際電費3.49萬元。
(3)節能效益。由以上數據可得:每月節約電量14400～12600kWh,取下限12600kWh,按電價0.55元/kWh計算,每月節約電費為.55元=6930元。實際(2003年5月)節約電費4.1-3.49=0.61萬元。
(4) 投資回收時間。變頻調速系統技術改造總投資6萬元,經9～10個月運行,即可收回全部投資成本,經濟效益顯著。
4.2 提高控制精度
安裝變頻器后,引入流量反饋信號,采用變頻器的PID閉環控制或DCS控制,轉速自動隨流量變化,轉速穩定即可獲得穩定的流量,從而可提高控制精度。
4.3 降低噪聲
采用變頻調速系統,避免了羅茨鼓風機的旁路放空,噪聲從110dB 左右降低至60dB左右,大大降低了實訓基地的生產噪聲。
4.4 設備壽命
由于采用了變頻調速技術 , 電機啟動、調速平穩 , 不存在啟動電流沖擊 , 減少了羅茨鼓風機出口壓力瞬間提高對風機的沖擊 ,
從而延長了風機及其它設備的使用壽命。而且 , 羅茨鼓風機和驅動電機都處于相對額定轉速較低的轉速上 , 因而其零部件的機械磨損減少 ,
延長了使用壽命。
5、結論
均苯四甲酸二酐生產裝置中羅茨鼓風機變頻調速系統的應用 , 實現了裝置的節能運行 , 提高了羅茨鼓風機的使用壽命 ,
且大大降低了生產裝置的噪聲。變頻器對羅茨鼓風機來說是一種使用方便、故障率低、節能效果明顯的設備。變頻器的價 格較高 , 變頻調速系統的一次性投資較大
, 但其節能效果明顯 , 本裝置變頻調速系統投入使用 9 ～ 10個月便收回全部投資。
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一污水處理廠客戶對羅茨鼓風機進行技術改造后，跟我們交流節能改造技術經驗，下面錦工技術人員簡要總結一下，羅茨鼓風機節能改造的經驗，全是干貨。
首先，客戶改變了過去以調節出口閥門大小方式來調節風壓或風量的生產方式，勞動強度減輕，調節的及時性好，單機能耗明顯下降。
其次，客戶加裝了錦工羅茨風機專用變頻器，變頻器對風機實行節能改造后具有以下幾點優點：
1、提高功率因素，減少無功功率損耗 ；
2、采用變頻器控制具有自動節能控制功能，能根據負載情況自動調整電壓和頻率，使電機運行在最高效率狀態下；
3、變頻器具有先進的磁通矢量控制，低頻輸出額定轉矩，能對羅茨風機實行強有力的控制 ；
4、節約能源，降低運行成本；
5、實現軟啟動、啟動時無大電流沖擊；
6、延長螺茨風機的使用壽命。
最后，客戶總結，在污水處理系統中，各種水泵也需要節能，我們可以根據工藝的需要，采用變頻器控制，來達到節能的目的，同時，在水泵安裝的時候，也要注意以下幾點來達到節能的目的。
1、選擇合理的安裝位置，減少彎頭，使出水口正對水池。
2、縮短管路。
3、擴大出水管徑。
4、在進水能保持清潔的情況下，可去掉濾網。
5、調整軸向間隙，防止葉輪口環和軸向間隙不恰當，使用時應根據水泵的出廠說明調整。
6、及時消除管道堵塞物。異物留在進水管、葉輪或導流殼流道內，都將使出水量減少。
7、防止水泵進氣。水泵進了空氣，出水量會明顯減少，應對各密封部位檢查維護。
8、采用聯軸器直接傳動代替平皮帶，可提高傳動效率。
9、有些地方，能不用底閥的盡量不用底閥。
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