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从电气角度分析洁净室FFU选择与应用
从电气角度分析洁净室FFU选择与应用
提要：文章分析介绍了FFU使用现状，通过对交、直流FFU成本及控制方式的对比，对交、直流FFU的优缺点做了详细的分析， 结论是交流FFU具有运行可靠、价格低廉、使用寿命长等等一系列的优点，缺点是运行成本高、调速性能不好。直流FFU存在初始成本高、运行维护成本及使用寿命短等缺点，优点是运行成本低、容易控制，调速性能好。
关键词FFU；成本分析；控制方式；节能环保
随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对产品质量的要求也越来越高。而生产技术和生产环境决定了产品质量，这就迫使厂家追求更好的生产技术和更高的生产环境。特别是电子、制药、食品、生物工程、医疗、实验室等领域对生产环境有着苛刻的要求，它综合了工艺、建筑、装饰、给排水、空气净化、暖通、空调、自动控制等多方面的技术。FFU作为一种净化设备，目前在各种洁净工程中得到广泛应用。
一、 FFU产品分析
FFU是FAN
FILTER UNIT的缩写，中文称作“风机过滤器单元”，也就是将风机和过滤器组合在一起构成自身能提供动力的末端净化设备。FFU具有设计施工简便，风速调节灵活，洁净区易于变更等特点，已经成为工业洁净室流行系统形式。
目前FFU一般采用单相多速交流电机、三相多速交流电机和直流电机。下面就这交、直流FFU各自的优劣作一个详细的分析。
二、成本分析
以目前国内较为先进的TFT-LCD行业生产厂房为例，其中Array生产厂房共计安装使用FFU9729台，下面通过分别选用交、直流FFU进行成本比较分析。
1．初始成本对比
目前市场上交流FFU约3800元/台，直流FFU约5500元/台。则采用交流FFU与直流FFU初始投资成本差额约为：
（5500-3800）×9729≈1654万元
2．FFU配电成本
对于交流电机FFU，其运行电流为1.5A~2A左右，一组4mm2电缆可以连接8台FFU，选用20A开关，对于直流电机FFU，其运行电流为0.3A~0.7A；一组4mm2电缆可以连接至少16台FFU。按照现行国标用线，其平均价格节约一半；如选用宝胜电缆为例，每台FFU平均用电缆按8米计算，每米电缆加配电箱、线槽、配件及安装成本约为20元计，则选用直流FFU配电安装成本约为9729×8×20≈156万元，而交流电机配电则需要约300万左右。因此采用直流FFU初期在配电上可以减少的成本为：150万元。
3．能耗成本对比
直流电机FFU功率为60W~140W，其平均能耗约为100W；交流电机FFU平均功率为160W~360W，其平均能耗约为260W。故直流电机FFU运行所需冷量为交流电机FFU运行所需冷量的45%左右。按其额定功率5%转化为热量，故每台直流FFU可以节约冷量约为：260×5%－100×5%=0.009kW，9729台FFU节约冷气量约为0.009×9729=87.5 kW，按照1 kW冷气成本3000元计，则可节约成本约为：87.5×3000≈26.2万元。(参考：无尘室http://www.iwuchen.com/)
4．运行成本比较
运行成本是直流电机FFU相对于交流电机FFU最大优势所在，直流电机FFU功率为60W~140W，其平均能耗约为100W；交流电机FFU平均功率为160W~360W，其平均能耗约为260W。
通过对比分析可以看出，每台直流电机FFU运行1小时可以节约0.16kWh的电。依据现行国家工业用电平均价格0.75元/kWh计，则每年可以节约的电费为：9729×0.16×24×365×0.75≈1022.7万元，对与冷量节约的电费约为：87.5×24×365×0.75≈57万元。
通过以上成本分析可以发现：本厂房采用直流FFU初始投资增加1654万元，但在配电成本、耗能成本及运行成本方面均低于交流FFU；在直流FFU运行1.5~2年后即可将初始投资收回，其后每年可以为企业减少大量的成本。
三、控制分析比较
1、FFU控制方式现状
目前FFU一般采用单相多速交流电机、三相多速交流电机和直流电机。电机的供电电压大致有110V、220V、270V、380V四种。其控制方式主要分为以下几种：
a) 多档开关控制
b) 连续速度调节控制
c) 计算机群组控制
d) 遥控控制
2、交流电机FFU控制方式
在FFU交流调速控制方式中，主要分为三种控制方式：多档开关调速控制、调压调速控制方式、变频调速控制方式。
2.1多档开关控制，就是通过直接改变电动机定子线圈匝数来调整电动机的转速。控制器由一个调速开关和一个电源开关组成。由于控制元件为FFU自带，分布在洁净室吊顶内的各个位置，工作人员必须在现场通过拨挡开关来调节FFU转速，控制起来极不方便，而且FFU的风速可调范围有限，仅限于几档。为了克服FFU控制操作不方便的因素，有些项目把所有FFU的多档开关集中起来，放到地面上一个柜子内，实现集中操作，但无论是从外观还是功能上都存在其局限性。采用多档开关控制方式优点是控制简单、成本低，但存在许多缺陷：比如：能耗大、不能平滑调速、没有反馈信号、不能实现灵活的组群控制等。
2.2调压控制方式，就是通过直接改变电动机定子电压的大小来调整电动机的转速。调压方式的缺点是：调速时的效率较低，能耗大，低速时，电机发热严重、调速范围较窄等。但是，调压方式对于FFU风机负载来说，其缺陷不是很明显，并且在目前的情况下还有一些优点：调速方案成熟，调速系统稳定，能够保证长时间无故障连续运行；操作简便，控制系统造价低；由于FFU风机负载很轻，在低速时，电机发热不是很严重；调压方式特别适合于风机负载，由于FFU风机负载曲线为独特的阻尼曲线，因此，调速范围可以做到很宽。
2.3变频控制方式，就是通过改变电源频率的方式来调整电动机的转速，同时，按一定比例调整电动机的输入电压。变频控制方式具有优异的性能，调速范围大，平滑性较高，调速效率高等。变频一般采用较先进的SPWM控制方式，并采用单片机生成SPWM波形。SPWM变频方式同其它变频方式相比具有以下特点：结构简单，控制方便；输入功率因数高；系统动态响应快；输出谐波少。在目前的情况下，与调压方式相比，变频方式也有一些缺点，这主要体现在以下两个方面：变频方式造价比较高。为了使变频器的输出谐波尽可能的减少，逆变器的功率开关器件的开关频率要尽可能的高。因此，一般采用GTR、GTO、PMOSFET作为开关器件。上述这些器件本身造价较高。因此，变频控制方式整体造价也比较高。使用寿命不如调压方式长。由于异步电动机属于感性负载，功率因数不会等于1.0，故在中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关无法储能，所以无功能量只能靠直流环节中的储能元件（电容器）来缓冲。电容器的寿命大大限制了变频器的使用寿命。即使是最先进的变频器厂商，其变频器寿命也受此限制。
3、直流电机FFU控制方式
3.1直流电机一般采用计算机群控方式，计算机群控系统是一种集散型控制系统，能够方便的实现现场分散控制和集中统一管理功能，为现阶段大面积洁净室FFU较常用的一种控制方式，可灵活控制洁净室每台FFU的启停和风速。
3.2计算机群控方式具有以下先进的功能：
a) 采用集散型控制方式，能够很方便的实现FFU的集中监测和控制。
b) 可方便的实现FFU的单台、多台及分区控制。
c) 智能化控制系统具有节能功能。
d) 可采用可选的遥控方式进行监测和控制。
e) 控制系统预留通信接口，可与上位机或网络进行通讯，从而实现远程通信和管理功能。
f) 控制直流电机的突出优点在于：容易控制、调速范围较宽。但直流计算机群控方式也有一些致命的缺陷：
由于洁净厂房不允许FFU电机带有电刷，因此，FFU的电机均采用无刷直流电动机，换相问题则由电子换相器解决，而电子换相器的寿命短使整控制系统的使用寿命也大大降低。
a) 整套系统造价昂贵。
b) 后期维护费用高。
3.3遥控控制方式 遥控控制是将微型风机的开关以及调速命令通过红外信号或者射频信号来传达，以实现对FFU的控制与管理。遥控控制也可根据需要对其FFU进行单台控制或者分组控制，但这样就要求采用不同的遥控器。优点：结构简单、调速稳定、控制方便、投资成本较低；缺点：由于厂内有很多控制设备都会产生较强电磁信号，以使FFU的遥控收到干扰，执行错误的操作。因此采用这类控制方式要视环境而定，不是所有的厂房都适用。遥控控制方式作为计算机控制方式的一种补充，可使用遥控器对每台FFU进行控制，与计算机控制方式相辅相成。
通过以上对交直流风机控制方式的分析对比，直流电机FFU控制方式容易控制、调速范围较宽。
结论：综合上所述：交流FFU运行可靠、价格低廉、使用寿命长，但运行成本高、调速性能不好。直流FFU初始成本高、运行维护成本及使用寿命短，但是运行成本低、节能、容易控制，调速性能好。
参考书目：
【1】 工厂常用电气设备手册.第二版.中国电力出版社.
【2】 陈霖新.洁净厂房的设计与施工.化学工业出版社.北京.2003.
【3】 张利群.FFU的应用.中国电子工程设计院
原文来源：http://www.iwuchen.com/a-524/
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