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摘 要：某卷烟厂除尘房罗茨风机运行时，经常出现欠载状态，部分风量经旁路放空，造成能源严重浪费。通过分析了罗茨风机变转速工作特性和变频调速控制的节能原理，对系统进行变频节能改造。运行实践表明，改造后风机采用变频调速控制运行，性能稳定可靠，能够获得显著的经济效益。
关键词：罗茨风机；变频器；节能改造
一、前言
某卷烟厂除尘房主要负责生产车间机台除尘和烟丝风送，由除尘系统和集尘系统组成，系统采用布袋式除尘器，采用集中集尘并由负压输送至压尘机处理。其中集尘器的负压由两台22KW的罗茨风机提供，一台用于制丝线集尘，一台用于卷包线集尘。原风机额定功率的设计选型是根据工艺的最大流量来选择的，按当时的设计思路，风机的选型一般在满足工艺负荷工作条件下还要增加一定的裕量。但实际运行中，工艺的运行参数随各种因素而发生变化，往往实际运行负荷要比设计的最大流量小得多，造成能源浪费的情况。
二、问题的提出
根据本系统的运行数据统计，罗茨风机实际使用的功率也仅为额定功率的70%--75%左右。，即所消耗的电能有20%～25%被浪费掉。因此，对罗茨鼓风机进行节能改造有着显著的经济和环境效应。
三、节能改造方法的确定
罗茨风机属容积回转式风机，其工作特点是当转速一定而压力在允许范围内加以调节时，流量的变动甚微，转速和流量之间保持正比的关系。采用旁路调节法不能改变罗茨鼓风机的吸气量，所以风机始终在满负荷下运行，无法节能。而改变转速，使风机吸气量发生变化，其功率消耗也随之改变。所以，对罗茨鼓风机进行变速调节就可达到节能的目的，而调速方法也较多。若改为变频调速方式调节风机风量，即能减少风机电耗的浪费。
一）罗茨鼓风机变转速工作特性
1、流量特性
罗茨鼓风机的理论流量与转子转速的关系式为
罗茨鼓风机的实际流量为
由式（1）和式（2）可知，对每一台具体的罗茨鼓风机，其叶轮外径、长度和面积利用系数都是一个定值，当可忽略容积效率的变化时，罗茨鼓风机的流量正比于转速。
2、功率特性
罗茨鼓风机的轴功率为
由式（1）和式（3）可知，当罗茨鼓风机转速n变化时，其轴功率与转速成正比。
3、 转矩特性
罗茨鼓风机的转矩为
由于罗茨鼓风机的轴功率与转速成正比，因此由式（1）可知，当转速变化时，转矩不变，即罗茨鼓风机属于恒转矩运行。
二）变频调速的工作原理
变频器调速的原理是将交流顺变成直流，平滑滤波后再经过逆变回路，将直流变成不同频率的交流电，使电机获得无级调速所需的电压和频率，从而直接改变和控制电机的输出轴功率。
罗茨风机的驱动采用交流三相异步电动机，其转速与电源频率的关系为[3]
由式（1）可知，转速与频率成正比，只要改变频率即可改变电动机的转速，当频率在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。因此，决定采用变频调速技术对罗茨鼓风机进行技术改造，不但可达到节能目的，同时也可提高装置的自动控制水平。
四、罗茨风机的变频改造
一）、硬件设计
1、变频器的选用
根据电机容量，选用丹佛斯FC300变频器。
丹佛斯FC300系列变频器的优点：
（1） 调速范围广，机械特性硬，精度高，运行可靠；
（2） 磁通—电流控制（FCC）功能改善动态响应特性，并且优化电动机的控制；
（3） 控制不同的负载，具有相应的V/F特性；
（4） 变频器的PID调节器具有较高的品质（参数自整定）可用于简单的过程控制；
（5） 快速电流限制功能（FCL），避免运行中不应有的跳闸；
（6）可实现电动机的过压、欠压、过热等功能。
2、变频器控制与调节
变频器可通过在控制柜门“远程/本地”开关的切换实现“远程控制”与“本地控制”。“远程控制”是在主控室内上位机与变频器进行数据通信，操作人员可通过触摸屏的画面对风机和变频器的工作电流、频率、转速以及启动、停止、故障等状态进行实时监控。同时操作人员根据工艺或外界条件的变化，通过改变变频器的频率来調节转速。
另外，在风机房内还装有一个本地控制的机旁操作箱，在风机出现故障时可在电机旁进行操作。为了保证生产的连续运行，在变频器出现故障后，可将故障变频器通过旁路柜隔离，风机电动机可切换为工频运行或启、停控制。
二）、PLC与变频器通讯的实现
原除尘系统的配置为：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1个MP 270触摸屏，现将两台罗茨风机的Danfoss FC300变频器通过现有的PROFIBUS-DP网络进行PLC和变频器的通讯，变频器通过PROFIBUS-DP来实现电机的启/停和调速控制，并把变频器的实际运行状态通过PROFIBUS网络输送并显示在触摸屏MP 270，从而达到对罗茨风机的运行控制目的。
五、系统调试及运行效果
一）系统改造后的调试
完成罗茨风机变频器改进安装后，并投入系统运行前的调试，目的主要是检查所选择的变频器性能、改进方案的功能是否达到设计要求以及满足实际生产需要。经调试，变频器性能运行非常稳定，达到设计要求。
二）运行效果
变频器经过一个月试运行及投入正常使用后，从实际运行来看，变频运行状态比较稳定，满足设计要求，系统稳定可靠。设备方面由于变频具有软启动功能避免了电机启动时对电机的冲击损害，转速的降低，对风机的叶轮、轴承等寿命得以延长，设备运行状况良好。
1、节能效益
制丝集尘风机的运行实际工频大约为42HZ，工作电流为32A；卷包集尘风机运行实际工频大约为40HZ，工作电流为34A。
根据测定数据可计算有功功率，其公式：P=1.732×U×I×cosα
改造前：P1= 1.732IV cosα=1.732×380×45×0.85=25.17kW
制丝集尘改造后：P2= 1.732×380×32×0.85=17.90KW
卷包集尘改造后：P3=1.732×380×34×0.85=19.02KW
每小时节电P节约=2× P1- P2- P3=13.43kW
车间每天两班生产，工作时间16小时，一个月生产天数20天，一个月可节约电能4296.47 kW。
2、设备影响
（1） 避免了电动机启动时对电机的冲击损害及对电网的冲击；
（2） 提高了罗茨风机的自动控制能力；
（3） 减少了罗茨风机及其消声器等的机械振动、噪声和冲击；
（4） 由于转速的降低，罗茨风机的叶轮、轴承等寿命得以延长。
六、结束语
变频器控制技术用于罗茨风机控制达到显著的节电效果，提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，经济效益十分明显。
参考文献
[1] 郁永章主编《容积式压缩机技术手册》，机械工业出版社.
[2] 续魁昌主编《风机手册》[M].机械工业出版社.
[3] 丹佛斯FC300设计指南.
[4] 崔坚主编《西门子工业网络通信指南》.
[5] 钟肇新、范建东编著《可编程控制器原理与应用》，华南理工大学出版.
关键词：罗茨风机；变频器；节能改造
一、前言
某卷烟厂除尘房主要负责生产车间机台除尘和烟丝风送，由除尘系统和集尘系统组成，系统采用布袋式除尘器，采用集中集尘并由负压输送至压尘机处理。其中集尘器的负压由两台22KW的罗茨风机提供，一台用于制丝线集尘，一台用于卷包线集尘。原风机额定功率的设计选型是根据工艺的最大流量来选择的，按当时的设计思路，风机的选型一般在满足工艺负荷工作条件下还要增加一定的裕量。但实际运行中，工艺的运行参数随各种因素而发生变化，往往实际运行负荷要比设计的最大流量小得多，造成能源浪费的情况。
二、问题的提出
根据本系统的运行数据统计，罗茨风机实际使用的功率也仅为额定功率的70%--75%左右。，即所消耗的电能有20%～25%被浪费掉。因此，对罗茨鼓风机进行节能改造有着显著的经济和环境效应。
三、节能改造方法的确定
罗茨风机属容积回转式风机，其工作特点是当转速一定而压力在允许范围内加以调节时，流量的变动甚微，转速和流量之间保持正比的关系。采用旁路调节法不能改变罗茨鼓风机的吸气量，所以风机始终在满负荷下运行，无法节能。而改变转速，使风机吸气量发生变化，其功率消耗也随之改变。所以，对罗茨鼓风机进行变速调节就可达到节能的目的，而调速方法也较多。若改为变频调速方式调节风机风量，即能减少风机电耗的浪费。
一）罗茨鼓风机变转速工作特性
1、流量特性
罗茨鼓风机的理论流量与转子转速的关系式为
罗茨鼓风机的实际流量为
由式（1）和式（2）可知，对每一台具体的罗茨鼓风机，其叶轮外径、长度和面积利用系数都是一个定值，当可忽略容积效率的变化时，罗茨鼓风机的流量正比于转速。
2、功率特性
罗茨鼓风机的轴功率为
由式（1）和式（3）可知，当罗茨鼓风机转速n变化时，其轴功率与转速成正比。
3、 转矩特性
罗茨鼓风机的转矩为
由于罗茨鼓风机的轴功率与转速成正比，因此由式（1）可知，当转速变化时，转矩不变，即罗茨鼓风机属于恒转矩运行。
二）变频调速的工作原理
变频器调速的原理是将交流顺变成直流，平滑滤波后再经过逆变回路，将直流变成不同频率的交流电，使电机获得无级调速所需的电压和频率，从而直接改变和控制电机的输出轴功率。
罗茨风机的驱动采用交流三相异步电动机，其转速与电源频率的关系为[3]
由式（1）可知，转速与频率成正比，只要改变频率即可改变电动机的转速，当频率在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。因此，决定采用变频调速技术对罗茨鼓风机进行技术改造，不但可达到节能目的，同时也可提高装置的自动控制水平。
四、罗茨风机的变频改造
一）、硬件设计
1、变频器的选用
根据电机容量，选用丹佛斯FC300变频器。
丹佛斯FC300系列变频器的优点：
（1） 调速范围广，机械特性硬，精度高，运行可靠；
（2） 磁通—电流控制（FCC）功能改善动态响应特性，并且优化电动机的控制；
（3） 控制不同的负载，具有相应的V/F特性；
（4） 变频器的PID调节器具有较高的品质（参数自整定）可用于简单的过程控制；
（5） 快速电流限制功能（FCL），避免运行中不应有的跳闸；
（6）可实现电动机的过压、欠压、过热等功能。
2、变频器控制与调节
变频器可通过在控制柜门“远程/本地”开关的切换实现“远程控制”与“本地控制”。“远程控制”是在主控室内上位机与变频器进行数据通信，操作人员可通过触摸屏的画面对风机和变频器的工作电流、频率、转速以及启动、停止、故障等状态进行实时监控。同时操作人员根据工艺或外界条件的变化，通过改变变频器的频率来調节转速。
另外，在风机房内还装有一个本地控制的机旁操作箱，在风机出现故障时可在电机旁进行操作。为了保证生产的连续运行，在变频器出现故障后，可将故障变频器通过旁路柜隔离，风机电动机可切换为工频运行或启、停控制。
二）、PLC与变频器通讯的实现
原除尘系统的配置为：1套PLC主站（S7-300，315-2DP），1个MP 270触摸屏，现将两台罗茨风机的Danfoss FC300变频器通过现有的PROFIBUS-DP网络进行PLC和变频器的通讯，变频器通过PROFIBUS-DP来实现电机的启/停和调速控制，并把变频器的实际运行状态通过PROFIBUS网络输送并显示在触摸屏MP 270，从而达到对罗茨风机的运行控制目的。
五、系统调试及运行效果
一）系统改造后的调试
完成罗茨风机变频器改进安装后，并投入系统运行前的调试，目的主要是检查所选择的变频器性能、改进方案的功能是否达到设计要求以及满足实际生产需要。经调试，变频器性能运行非常稳定，达到设计要求。
二）运行效果
变频器经过一个月试运行及投入正常使用后，从实际运行来看，变频运行状态比较稳定，满足设计要求，系统稳定可靠。设备方面由于变频具有软启动功能避免了电机启动时对电机的冲击损害，转速的降低，对风机的叶轮、轴承等寿命得以延长，设备运行状况良好。
1、节能效益
制丝集尘风机的运行实际工频大约为42HZ，工作电流为32A；卷包集尘风机运行实际工频大约为40HZ，工作电流为34A。
根据测定数据可计算有功功率，其公式：P=1.732×U×I×cosα
改造前：P1= 1.732IV cosα=1.732×380×45×0.85=25.17kW
制丝集尘改造后：P2= 1.732×380×32×0.85=17.90KW
卷包集尘改造后：P3=1.732×380×34×0.85=19.02KW
每小时节电P节约=2× P1- P2- P3=13.43kW
车间每天两班生产，工作时间16小时，一个月生产天数20天，一个月可节约电能4296.47 kW。
2、设备影响
（1） 避免了电动机启动时对电机的冲击损害及对电网的冲击；
（2） 提高了罗茨风机的自动控制能力；
（3） 减少了罗茨风机及其消声器等的机械振动、噪声和冲击；
（4） 由于转速的降低，罗茨风机的叶轮、轴承等寿命得以延长。
六、结束语
变频器控制技术用于罗茨风机控制达到显著的节电效果，提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，经济效益十分明显。
参考文献
[1] 郁永章主编《容积式压缩机技术手册》，机械工业出版社.
[2] 续魁昌主编《风机手册》[M].机械工业出版社.
[3] 丹佛斯FC300设计指南.
[4] 崔坚主编《西门子工业网络通信指南》.
[5] 钟肇新、范建东编著《可编程控制器原理与应用》，华南理工大学出版.