一、项目概况
日本大阪关西国际机场是日本第二大国际机场，位于距大阪南部大约50公里处的一个人工岛上。机场的旅客航站楼，第四层的国际航线出发站和第一层的国际航线到达站，将第二层的国内航线出发站、到达站夹在中间，从而形成了三明治式的构造。航站楼内空调系统中采用了16台110KW由日本FLAKT株式会社生产的大型变翼式轴流风机(AXICO ANTI-STLL)。这16台变翼式轴流风机,使用的110KW的电机全部运行在额定转速上，然而风机的变翼角度均在一半的开度，虽然流量的减少使得电机的耗电量下降，但由于电机处于轻载运行状态，导致电机的运行效率及功率因数显著下降，造成无功功率和有功功率的严重浪费。16台变翼式轴流风机的运行参数如下：
名称 变翼式轴流风机
电机的额定功率 110KW
电机的额定电压 400V
电机的额定电流 196A
电机的运行电流 80A-90A
电机的运行有功功率 30KW-40KW
电机的运行视在功率 62.4KVA-70KVA
电机的运行功率因数 0.4-0.5
二、变翼式轴流风机特点与问题点
1. 特点
大范围的风量调节
变翼式轴流风机通过调节羽翼的角度改变风量，可以在无变频器不改变转速的情况下实现连续的风量调节，且调节范围大，可达30%-100%。
比较高的节能效果
用普通变频器驱动风机，通过减速实现风量调节时，其节能效果与转速（风量）的3次方呈正比。而使用变翼式轴流风机通过调节羽翼的角度改变风量，仍可以实现其节能效果与角度（风量）的3次方呈正比。但相对使用普通变频器调节风量，变翼式轴流风机具有无谐波，无自损，低价格，风量调节范围大等优点，因此在国际上到了广泛的使用。
从右图中可以看出各种风量调节设备的比较：
曲线① 是风机、电机、驱动装置的综合效率在100%时的理想曲线。
曲线② 变翼式轴流风机的特性曲线。
无谐波，无自损，低价格，风量调节范围大且风压稳定。
曲线③ 普通变频器调速的特性曲线。
谐波大，自损大，高价格。
曲线④：阀门或挡板的调节方式。低效率，不节能。
从以上的①～④曲线可知变翼式轴流风机的特性曲线优于普通变频器 ，而曲线①则是最理想的特性曲线，从以下的说明可知，使用超能士即可实现曲线①最理想的特性曲线。
2.问题点
虽然变翼式轴流风机有诸多的优点，但其仅仅考虑了风机本身无自损，调节范围大等特点，却带来了在变翼时风机负荷大幅减少而电机却始终工作在额定电压，额定转速上从而使电机的运行效率及功率因数显著下降，铜损及铁损增加，造成无功功率和有功功率的严重浪费。
三. 采用“负载跟踪”运行模式解决变翼式轴流风机的问题点
1. 超能士电机节电器的“负载跟踪”运行模式
实时检测电机的负载率，当电机的负载从100%降到50%，而后降到30%，超能士电机节电器根据检测到的负载变化，实时自动检测数据，并在线调整电机的输入电压（V）和负载电流（I），使其工作点保持在X、Y、Z（拐点）的最佳工作点上。
2. 超能士电机节电器的三大功能特点
超能士电机节电器具有普通变频器不具备的三大功能特点：
（1） 变速（减速）运行+负载跟踪节电：
随着电动机转速的降低，此时节电器根据负载率的变化，全范围内实时在线调整电动机的输入功率，在V/F特性节电的基础上，再一层提高功率因数节电；
（2） 变速（包括50HZ）运行+负载跟踪节电：
电机不论恒速运行在任何频率状态，均能根据实际工况中负载率的变化,在线调整电机的输入功率，提高功率因数节电。
（3）抗冲击负载功能：对于现场存在的冲击性负载状况（如冲床、传送带的突然加载等），具有抗冲击性负载功能，可瞬时提高输入电压（0.1秒内上升电压200V），满足突然加载时对电机输入功率的需要。
由于超能士电机节电器的以上功能特点，可以很好的解决变翼式轴流风机的以上欠点，当负
荷大幅减少时实时自动检测电机的负载率，并在线调整电机的输入电压（V）和负载电流（I），使
变翼式轴流风机电机始终工作在最佳状态，电机的功率因数始终在0.96以上，无功功率几乎减少
到0，有功功率可降低60%-70%，同时大幅度减少铜损、铁损及温升，大大的延长电机的寿命。
下图是关西空港超能士控制变翼式轴流风机的示意图。
四. 采用超能士控制变翼式轴流风机的实施方案
右图是采用超能士控制变翼式轴流风机的实施方案图。
上位控制系统是日本山武株式会社的DCS控制系统，超能士作为子控制系统具备以下功能：
① 各种电量（电压，电流，功率，转速，功率因数等）显示，
② 风压负荷控制及显示；
③ 运行台数及转速控制；
④ “手动/自动”切换及手动调速；
⑤ “旁路”运行功能；
⑥ “节电”运行功能；
⑦ 接受上位系统的控制指令。
⑧ 过流，过载，欠压，过热，欠相等十几种报警指示及复位；
⑨其他功能。
五、 直接节电效果和间接经济效益
1. 直接的节电效果:
超能士节电控制系统自2011年8月投入运行后，连续运行2个月以来，根据日本关西空港的实际测量考核结果，平均节电率63%。按一个机组4台计算，安装超能士前耗电量每月64,000KWh, 安装超能士后耗电量每月24,000KWh,每月可节电40,000KWh，节约电费约60万日元（折合人民币近50,000元），全年节约电费720万日元（折合人民币近600,000元）。按超能士控制系统在日本的销售价格，大约1年半可收回全部投资。第2期工程的3个机组12台预计2012年2月底完工，投运后4个机组共16台全年可节电1,920MKWh, 约折合人民币近240万元,并可降低二氧化碳(CO2)76.8万吨(日本1KW=0.4Kg的CO2)。
2. 间接的经济效益
超能士电机节电器的设计寿命为15年，如果按10年16台的经济效益计算如下：
1． 10年间的节电量: 1,920MKWh/年×10年＝19,200MKWh
2． 10年间的节电费: 240万元/年×10年＝2,400万元
3． 10年间CO2的消减量: 76.8万吨/年×10年＝768万吨/年
4． 电流、电压的降低带来电机的铁损、铜损、发热的大幅减少，延长了电机的使用寿命及维修周期。
5． 过电流、过电压、欠相、欠压、过热、瞬间断电等异常均可实现保护，有效的保护了电机及事故的发生。
6． 软启动、软停车功能，避免了起、停时对电网的冲击，设备的使用寿命及检修周期都会大大延长。
摘 要： 近年来，各式各样的节能产品不断涌现,而用于动力系统的节电还都局限于“变频调速”技术，仅靠减速节电虽然有些效果，但对于多数不能调速的电机设备却无能为力。超能士电机节电器在覆盖了变频器功能的基础上增加了变速负载跟踪、恒速负载跟踪功能，完全适用于允许减速和不允许减速的所有三相异步电机。本文中，阐述了超能士电机节电器在日本大阪关西国际空港大型变翼式轴流风机上的节电方案及实施。
关键词：超能士、电机节电器、负载跟踪、变翼式轴流风机、变频器
一、项目概况
日本大阪关西国际机场是日本第二大国际机场，位于距大阪南部大约50公里处的一个人工岛上。机场的旅客航站楼，第四层的国际航线出发站和第一层的国际航线到达站，将第二层的国内航线出发站、到达站夹在中间，从而形成了三明治式的构造。航站楼内空调系统中采用了16台110KW由日本FLAKT株式会社生产的大型变翼式轴流风机(AXICO ANTI-STLL)。这16台变翼式轴流风机,使用的110KW的电机全部运行在额定转速上，然而风机的变翼角度均在一半的开度，虽然流量的减少使得电机的耗电量下降，但由于电机处于轻载运行状态，导致电机的运行效率及功率因数显著下降，造成无功功率和有功功率的严重浪费。16台变翼式轴流风机的运行参数如下：
名称 变翼式轴流风机
电机的额定功率 110KW
电机的额定电压 400V
电机的额定电流 196A
电机的运行电流 80A-90A
电机的运行有功功率 30KW-40KW
电机的运行视在功率 62.4KVA-70KVA
电机的运行功率因数 0.4-0.5
二、变翼式轴流风机特点与问题点
1. 特点
大范围的风量调节
变翼式轴流风机通过调节羽翼的角度改变风量，可以在无变频器不改变转速的情况下实现连续的风量调节，且调节范围大，可达30%-100%。
比较高的节能效果
用普通变频器驱动风机，通过减速实现风量调节时，其节能效果与转速（风量）的3次方呈正比。而使用变翼式轴流风机通过调节羽翼的角度改变风量，仍可以实现其节能效果与角度（风量）的3次方呈正比。但相对使用普通变频器调节风量，变翼式轴流风机具有无谐波，无自损，低价格，风量调节范围大等优点，因此在国际上到了广泛的使用。
从右图中可以看出各种风量调节设备的比较：
曲线① 是风机、电机、驱动装置的综合效率在100%时的理想曲线。
曲线② 变翼式轴流风机的特性曲线。
无谐波，无自损，低价格，风量调节范围大且风压稳定。
曲线③ 普通变频器调速的特性曲线。
谐波大，自损大，高价格。
曲线④：阀门或挡板的调节方式。低效率，不节能。
从以上的①～④曲线可知变翼式轴流风机的特性曲线优于普通变频器 ，而曲线①则是最理想的特性曲线，从以下的说明可知，使用超能士即可实现曲线①最理想的特性曲线。
2.问题点
虽然变翼式轴流风机有诸多的优点，但其仅仅考虑了风机本身无自损，调节范围大等特点，却带来了在变翼时风机负荷大幅减少而电机却始终工作在额定电压，额定转速上从而使电机的运行效率及功率因数显著下降，铜损及铁损增加，造成无功功率和有功功率的严重浪费。
三. 采用“负载跟踪”运行模式解决变翼式轴流风机的问题点
1. 超能士电机节电器的“负载跟踪”运行模式
实时检测电机的负载率，当电机的负载从100%降到50%，而后降到30%，超能士电机节电器根据检测到的负载变化，实时自动检测数据，并在线调整电机的输入电压（V）和负载电流（I），使其工作点保持在X、Y、Z（拐点）的最佳工作点上。
2. 超能士电机节电器的三大功能特点
超能士电机节电器具有普通变频器不具备的三大功能特点：
（1） 变速（减速）运行+负载跟踪节电：
随着电动机转速的降低，此时节电器根据负载率的变化，全范围内实时在线调整电动机的输入功率，在V/F特性节电的基础上，再一层提高功率因数节电；
（2） 变速（包括50HZ）运行+负载跟踪节电：
电机不论恒速运行在任何频率状态，均能根据实际工况中负载率的变化,在线调整电机的输入功率，提高功率因数节电。
（3）抗冲击负载功能：对于现场存在的冲击性负载状况（如冲床、传送带的突然加载等），具有抗冲击性负载功能，可瞬时提高输入电压（0.1秒内上升电压200V），满足突然加载时对电机输入功率的需要。
由于超能士电机节电器的以上功能特点，可以很好的解决变翼式轴流风机的以上欠点，当负
荷大幅减少时实时自动检测电机的负载率，并在线调整电机的输入电压（V）和负载电流（I），使
变翼式轴流风机电机始终工作在最佳状态，电机的功率因数始终在0.96以上，无功功率几乎减少
到0，有功功率可降低60%-70%，同时大幅度减少铜损、铁损及温升，大大的延长电机的寿命。
下图是关西空港超能士控制变翼式轴流风机的示意图。
四. 采用超能士控制变翼式轴流风机的实施方案
右图是采用超能士控制变翼式轴流风机的实施方案图。
上位控制系统是日本山武株式会社的DCS控制系统，超能士作为子控制系统具备以下功能：
① 各种电量（电压，电流，功率，转速，功率因数等）显示，
② 风压负荷控制及显示；
③ 运行台数及转速控制；
④ “手动/自动”切换及手动调速；
⑤ “旁路”运行功能；
⑥ “节电”运行功能；
⑦ 接受上位系统的控制指令。
⑧ 过流，过载，欠压，过热，欠相等十几种报警指示及复位；
⑨其他功能。
五、 直接节电效果和间接经济效益
1. 直接的节电效果:
超能士节电控制系统自2011年8月投入运行后，连续运行2个月以来，根据日本关西空港的实际测量考核结果，平均节电率63%。按一个机组4台计算，安装超能士前耗电量每月64,000KWh, 安装超能士后耗电量每月24,000KWh,每月可节电40,000KWh，节约电费约60万日元（折合人民币近50,000元），全年节约电费720万日元（折合人民币近600,000元）。按超能士控制系统在日本的销售价格，大约1年半可收回全部投资。第2期工程的3个机组12台预计2012年2月底完工，投运后4个机组共16台全年可节电1,920MKWh, 约折合人民币近240万元,并可降低二氧化碳(CO2)76.8万吨(日本1KW=0.4Kg的CO2)。
2. 间接的经济效益
超能士电机节电器的设计寿命为15年，如果按10年16台的经济效益计算如下：
1． 10年间的节电量: 1,920MKWh/年×10年＝19,200MKWh
2． 10年间的节电费: 240万元/年×10年＝2,400万元
3． 10年间CO2的消减量: 76.8万吨/年×10年＝768万吨/年
4． 电流、电压的降低带来电机的铁损、铜损、发热的大幅减少，延长了电机的使用寿命及维修周期。
5． 过电流、过电压、欠相、欠压、过热、瞬间断电等异常均可实现保护，有效的保护了电机及事故的发生。
6． 软启动、软停车功能，避免了起、停时对电网的冲击，设备的使用寿命及检修周期都会大大延长。
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