2011/01/05
經濟部能源局
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▓撰文：吳國光、李毓仁、焦鴻文、張育誠
目前各國政府皆大力推展節能措施，其中最直接且有效的途徑在於提升能源的利用效率，變頻技術就是其中之一。變頻技術在家電產品中已看到許多應用產品，如變頻冷氣、變頻洗衣機、變頻冰箱等，而在工業界中許多的水泵系統、空壓機及送風系統也開始利用變頻技術做為節能方式，然而燃燒系統中的鼓風機卻少見應用變頻控制技術，變頻空燃比控制較水泵與一般送風系統複雜，必須依據燃燒系統負載情形，即時演算出所需空氣量來決定變頻器的輸出做為控制送風機轉速的依據，技術建立門檻較高。傳統的控制方式中，鼓風機的風量一般採用風門擋板（蝶閥）控制，易有誤差，不能確保燃燒系統處於最佳運行狀態，造成能源浪費。若燃燒系統採用變頻空燃比控制技術，除了節約鼓風機所消耗的電力，同時可精確控制空燃比，降低了燃燒系統的燃料成本。
傳統空燃比控制技術
傳統燃燒系統空燃比的控制，是以曲線板控制噴油油量或燃氣量，同時經由機械連桿或是以類比訊號傳送至伺服馬達，改變蝶閥開啟角度來控制空氣流量，在這種控制方式下，鼓風機是處在全速運轉，故鼓風機流量的選擇均以最大燃燒量所需之風量來做為選擇的依據。
當鍋爐裝置完成後，皆是由工程人員依照系統設計，對連桿長度進行微調，而日後的維護亦是依照工程人員的經驗進行調整，並不能改變風機的轉速。這種風量調節方式，鼓風機始終以最大額定負載輸出，並不隨系統負載的變化而改變，這不但使風機的效率降低，能量都白白消耗在擋板上，同時會產生機械衝擊及震動，縮短傳動系統壽命。
變頻空燃比控制技術
使用蝶閥控制空氣流量的方式並無法以線性方式反映出控制訊號特性，而是呈現一近似的曲線模式，採用變頻控制在控制結果與控制訊號上可保持良好的線性關係，此一特性可使控制系統更單純與線性化，提升系統的可靠度。風機變頻調速的節能原理如下：
當風機的轉速從nl變為n2時，Q（風量）、H（風壓）、P（風機功率）大致變化關係為：
Q2＝Q1（n2／n1）
H2＝H1（n2／n1）2
P2＝P1（n2／n1）3
由上式可知，風機流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的二次方成正比，而軸功率與轉速的三次方成正比。當需求流量下降時，調節馬達轉速可以節省大量電能。例如：當流量需求減少一半時，如透過變頻方式調速，所需功率僅為原額定功率的12.5％，節電率相當可觀。
燃燒系統的鼓風機若改由變頻控制轉速取代閥門開度以控制進氣量，則需考量該鼓風機所使用馬達的電壓規格與運轉容量，選購適合的變頻器，移除原有蝶閥機構裝置或將蝶閥開度設定為100％狀態，並建立轉速與鍋爐負載的關係，此即變頻空燃比控制。一般而言，鼓風機馬達需為三相三線（3P3W）式的結線方式才適用做為變頻轉速控制使用。此外，若鼓風機運轉模式長期處於低載情形（額定功率之30％以下），則有可能使鼓風機馬達散熱不良，產生馬達過熱的情形，若發生此一狀況，則建議使用變頻專用馬達以解決此一問題。
採用變頻空燃比控制系統之前，需先考量燃燒系統負載操作特性，變頻空燃比控制技術較適用於燃燒負載會高低載變動的燃燒系統，因處在較高操作負載條件下時，鼓風機的轉速仍高，變頻系統較無法顯現出節能優勢，若燃燒系統是長期處在全載的狀況，鼓風機本就需全速運轉，此時用變頻系統來控制鼓風機轉速的意義就不大，反而會因加裝變頻器而讓用電量增加。根據工研院的測試資料顯示，在燃燒系統降載至94％以下時，變頻系統即可達成節電10％以上的效果，隨著操作負載的降低，節能率亦顯著提升。
至於變頻空燃比的控制系統，可概括分為4項次系統：
一、控制訊號源：如流量訊號、壓力訊號、溫度訊號、時間接點訊號，主要功能為提供控制器外在條件資訊做為控制程序判斷與運算的依據。
二、控制器：一般有PLC（可程式化邏輯控制器）、DSP（數位訊號處理器）、單晶片（如：Microchip系列、8051單晶片系列）、傳統電路結構（由繼電器、計時器與其他類比設備組成）。
三、作動設備：致動器、電磁閥、電磁接觸器、送風機、馬達、伺服器、加熱器、幫浦、變頻器等，接收由控制器所傳來的類比或數位訊號產生相對應的動作或是功能。
四、控制程序：順序控制、訊號判讀與數據演算功能，提供一可靠的控制序做為控制機組之用。
變頻空燃比控制調校程序
變頻空燃比控制調校程序可分為硬體調校與軟體調校程序。硬體調校程序如下：
一、送風系統壓力開關設定：一般燃燒系統的送風系統送風量是以蝶閥控制開度來控制送風量，該系統的特色是以鼓風機所能產生之最大管路靜壓做為系統安全保護條件之一，一旦管路靜壓過低，表示鼓風機發生問題，燃燒系統就會自動切斷。然而變頻空燃比控制是以控制鼓風機轉速來決定送風量，而送風靜壓與轉速成二次方下降，所以燃燒系統在低載運轉時會造成保護系統因風壓不足而導致跳機，故裝設變頻空燃比系統時，需先於最低載運轉模式下調整送風壓力保護開關，以確保系統能正常運行。
二、送風系統蝶閥開度設定：由於變頻空燃比控制是以控制鼓風機轉速來決定送風量，故裝設變頻空燃比控制系統時，需將原有蝶閥開度設定為最大，以降低送風管路內能量耗損。
軟體調校程序則包括：
一、最低載送風參數設定：於燃燒系統在最低載操作條件下，設定燃燒負載與變頻器之間的訊號條件關係，以符合燃燒系統於最低載時之操作條件。
二、滿載送風參數設定：於燃燒系統在滿載操作條件下，設定燃燒負載與變頻器之間的訊號條件關係，以符合燃燒系統於滿載時之操作條件。
三、操作曲線校正：由於燃燒系統從蝶閥空燃比控制轉換到變頻空燃比控制，其系統原始控制訊號與變頻系統反應不一定為同一條操作曲線，故需將各操作點利用訊號補償運算方式，讓變頻指令訊號符合原來蝶閥控制指令特性。完成以上調校程序後即可進行燃燒測試。
結語
燃燒系統採用變頻空燃比控制技術，除了可有效節約鼓風機所消耗的電力，加上可精確控制空燃比，提高燃燒系統效率，所降低的燃料成本往往會比節電效益來的大，可說是一舉數得的技術。（作者任職於工研院）