变频技术及其在烟叶烘烤上的应用趋势

杨树勋，王许勤，李 琅，石阡力，孟 刚

（1甘肃省烟草公司陇南市公司，陇南746000；2中国烟草总公司甘肃省公司，甘肃兰州730000）

电的发明促进了人类社会的发展与进步，促进了工业化进程，将人类从繁重的体力和脑力劳动中解放出来。生产和生活中对电的利用主要是通过异步电动机将电能转化为动能。这种动能稳定性好，但缺乏灵活性，不能完全满足人类对电机速度的需求。20世纪30年代起，人们对交流调速技术进行研究，先后出现了改变磁极对数调速、改变转差率调速、液力耦合器调速等调速技术。这些都属于有级调速，其调速平滑度差，调速范围小，电阻要消耗功率，电机效率低。随着自动化控制技术、电子技术和微电子技术的快速发展，人们发明了变频器，使机械设备调速性能得以极大地提高［1］。利用变频器改变电源频率调速，调速范围大，稳定性、平滑性较好，加上额定负载转速下降得少，属于无级调速。近年来，交流变频调速技术在我国得到了迅速发展和应用。变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、低速转矩、通讯功能、智能控制、功率因数、节约电能、工作效率、使用方便等方面具有优异的性能，其通用性强、适用范围广、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点是其他的交流调速方式无法比拟的，在纺织、机械、建材、造纸、冶金、电力、石化等行业得到广泛应用，能显著提高经济效益和社会效益。

烤烟作为一种特殊的经济作物，在田间生长成熟后采收的叶片要进行烘烤加工才能成为商品。烟叶烘烤加工设备性能是决定烤后烟叶质量的主要因素。现在我国的烟叶烘烤加工中配备的多是4／6级双速电机，电机速度只有两档，不能完全满足烘烤中叶片生理生化反应的需要。笔者探讨变频技术的优点及其在烟叶烘烤上的应用前景，希望通过变频技术的应用以提高烤后烟叶质量及经济效益。

1 变频技术的基本原理

变频器是应用变频技术与微电子技术的原理，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。它能将工频电源（50 Hz或60 Hz）变换成各种频率的交流电源，达到电机调速的目的。其中，控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑的滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。变频器具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点。按照主电路工作方式分类，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V／f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等［2］。

2 变频技术的主要作用

2.1 变频调速

调速是变频器最主要的功能。一般工频电源的电压和频率是固定的，因而电机的速度固定不变。但在实际使用过程中，有时要以较低或者较高的速度运行，或中途需要速度的变化，而变频器调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速，实现各种工作状态及生产工艺控制的要求。变频技术的工作原理是通过改变电机定子的供电频率，从而实现调速的目的［3］。变频调速的优点是将机械调速转变成纯电气化的智能调速，不但保持了机械性能，降低了成本，而且调速效果好，精准度高，能达到无级平滑调速的目的，调速比可达到 20∶1，更加贴近机械传动的需求。

2.2 变频节能

变频器的节能效果非常明显，在机械传输、水泵、风机的控制上具有广阔的应用前景。传统的机械传输通过控制进料的方式来调节输送量，风机、泵类等设备的调速方法是通过调节入口或出口的阀门、挡板开度来调节给风量和给水量，输入功率大，有相当部分能源消耗在设备空转或阀门、挡板的截流过程中。而变频器可以改变机械传输设备、风机、泵类的运行速度，如果流量要求减小，通过降低转速即可满足要求。不但简化了设备，节省了能源，而且降低了设备的维护费用，消除了低负荷时大马拉小车的现象。据统计变频器节约能源一般在40%左右。我国是一个能耗大国，能源储备又不足，能源结构单一，能源利用率比较低。2017年全国电力消耗17.8亿千瓦时，预计2018年将达到19.0亿千瓦时，在全国电力消耗中，60% ～70%为动力电［4］。广泛采用变频调速，可有效提高轻载运行时的工作效率。所以，变动负载的节能潜力巨大。变频器的节能广泛应用于各行业。以电力行业为例，中国是用电大国，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了新的要求，为了降低内部电耗，变频器在电力行业将有着巨大的发展潜力［5］。

2.3 软启动、软停止延长电机寿命

电机设备在启动或停止操作过程中，电流会比额定值高出5～6倍，不但消耗大量的电量，而且会影响电机的使用寿命。此外，电机在硬启动时会对电网造成严重的冲击，并对电网容量要求过高；硬启动时产生的瞬时电流和震动会对设备造成巨大的破坏，从而缩短设备的使用寿命。变频器的软启动电流从零开始逐渐增加，并且初始时启动转矩大，从而实现平滑启动，消除了瞬时电流和震动，不会对设备造成机械损坏，达到保护机械设备、保护电机的作用，延长了电机的使用寿命，降低了维修成本。通过调节电压和频率的关系实现恒转矩或者恒功率调速，同时减轻了对电网的冲击，降低了设备对供电环境及供电容量的要求，扩大了设备使用范围。

2.4 提高设备的安全性

变频调节无须进行频繁的高、低速切换，取消了调节挡板，使风压波动减小，风道振动减轻，提高了设备运行的稳定性，轴承的磨损也大大下降，且还可以进行变频、工频切换，提高了运行设备的安全系数。

2.5 提高控制精度

设备在高、低速开关切换的过程中，会引起炉膛、风道负压发生波动等问题。当风机进行高、低速切换时，炉膛、风道负压波动一般在200 Pa。使用变频调节后，变频通过直接控制风机转速来控制风量，炉膛、风道负压变化仅为50～80 Pa，远比挡板调节精度高，调整方便且运行稳定。而且进入锅炉的氧气更加均匀，使锅炉的燃烧更加稳定。从而避免了温度、风速、风压的波动，提高了控制精度。

3 我国烟叶烘烤现状及存在的问题

3.1 我国烟叶烘烤设备现状

2000年以前，我国的烟叶烘烤设备是传统的小烤房。进入新世纪后开始进行烤房的升级改造，掀起了一股密集烤房研究和建设高潮，国家烟草专卖局制定了《密集式烤房建设技术规范Q／GDYY 019－2011》，将密集式烤房建设进行了规范统一。密集式烤房的推广使用使我国的烟叶生产水平上了一个新台阶，是中国烟叶烘烤设备方面的重大改革［6］。而密集烘烤的核心之一是增加了热风循环风机，利用风机将热风强制送入装烟室，对烟叶进行加热并进行失水干燥，改变了小烤房利用自然通风温湿度调控难、常常烤坏烟的问题。虽然热风循环风机比自然通风有了巨大的进步，烟叶烘烤效率也大大提高，但我国密集烤房使用的循环风机主要为转速960～1440 r／min的 4／6级双速电机［3］。使用的循环风机转速单一，只有1个或者2个转速，自控系统无法自动平滑控制风机调速，烘烤控制精度差、滞后严重。

3.2 烟叶衰老过程中的代谢特点

烟叶烘烤是利用叶片衰老死亡的生物学属性，将田间采收的烟叶在烤房内通过人为调控环境因素使烟叶组织内部处于最佳的衰老死亡条件下，促使烟叶进一步衰老、变黄、干制的过程。随着叶片的衰老，叶内大分子有机物（叶绿素、淀粉、蛋白质等）降解、消耗、转化，产生对品质有用的糖、氨基酸、芳香类物质，当接近最佳品质要求时迅速使烟叶脱水干燥，抑制生理生化反应，终止分解代谢，停止叶片衰老死亡的进程，将生产和烘烤过程中形成的优良品质固定下来［7］。在烟叶烘烤变黄过程中其主要发生三个方面的变化：一是烟叶颜色的变化，烟叶由绿色变黄，然后再变褐；二是蛋白质、淀粉等大分子内涵物的降解，即分解代谢，产生小分子的糖、氨基酸及香气物质；三是烟叶水分的变化，即烟叶的失水干燥。虽然人们根据烟叶的颜色变化、形态变化将这一过程分为变黄期、定色期、干筋期三个阶段，但在烟叶烘烤变黄过程中不论是内在生理生化反应，还是外在颜色变化以及失水都是连续性的，烟叶的生命代谢活动具有连续性，生命活动的轨迹不应是点或点与线段的组合，而应该是平滑连续的曲线，即使各个阶段之间的过渡也应是连续平滑的曲线。烟叶的生理生化活动不论是增强还是减弱，其变化都是渐进连续的，不应出现断层。这样才符合生物生命代谢活动的特点，才能最大限度地彰显烟叶的内在品质，实现最佳经济效益。

3.3 我国烟叶烘烤问题分析

从生物生命代谢活动的特点看，烟叶的生命代谢活动具有连续性，其轨迹是平滑连续的曲线。从烘烤设备看，2000年以前的小烤房烘烤工艺简单，主要是利用自然通风，温湿度调控难，常常烤坏烟，低次烟的比例较高，但经验丰富的工作人员可以通过其他辅助设施，如天窗、地洞及烧火的配合为烟叶提供适宜的环境条件，使环境条件接近烟叶的代谢活动规律，因而烤出的烟叶香气较浓郁。2000年以后推广的密集烤房通过循环风机强制通风，提高了烤房升温、排湿、稳温的效果，解决了烤坏烟的问题，烟叶质量整体有所上升，经济效益提高，但烟叶的香气不足。主要原因是电机速度只有两档，不能完全满足烘烤中叶片生理生化反应的需要：当使用低转速时，升温不及时、排湿慢，叶内干物质消耗过度，杂色及黑烟率上升，黄烟率降低；当使用高转速时，风机转速大，排湿过快，叶内生理生化反应不充分，造成烟叶香气不足，烟叶易烤青，且浪费电能。总之，转速过小过大都会导致烘烤曲线与设定值偏离。因此，4／6级双速电机提供的温湿度条件不能充分满足烟叶生命代谢活动的需求，很难完全实现烟叶烘烤工艺设定的目标。从烘烤工艺看，传统的烘烤工艺将烟叶烘烤变黄干燥过程人为地分为几个阶段，不符合生命代谢活动的特点，不能将大田形成的烟叶内在品质最大限度地彰显出来，成为烟叶香气不足的主要原因之一。

4 变频技术在烟叶烘烤上的应用趋势

由于烟叶的生命代谢活动具有连续性，因而在烤房内烟叶烘烤过程中提供给烟叶的环境条件也应具有连续性，应随着烟叶的分解代谢程度、烟叶颜色变化程度、烟叶失水程度的变化而变化。4／6级双速电机在烘烤过程中采用恒速运转，只有2个转速，在烘烤过程中给烟叶提供的温度、风速、风压等条件不能充分满足烟叶变化的需要，致使烟叶的质量潜力不能充分得到彰显。近几年，在密集烘烤中虽有不少有关不同风机配置影响烟叶烘烤质量的研究［8，9］，但均局限于筛选合适的风机配置，不能从根本上满足烟叶烘烤过程中生命代谢的要求。而变频技术很好地解决了这一问题，能够满足烟叶烘烤中对温度、风速、风压等外在条件的需要。变频技术在烟叶烘烤中有三个方面的突出作用：

4.1 变频调速

为进一步满足烟叶烘烤工艺需要，提高密集烘烤烟叶质量，学界开展了大量的研究。樊军辉等［8］研究密集烘烤工艺不同阶段风速与烟叶质量的关系，认为密集烘烤变黄阶段 38℃风机转速960 r／min，38℃稳温结束之后至 47℃左右稳温结束，风机转速1450 r／min，之后直到60℃，风机转速960 r／min，然后风机运转速度保持 720 r／min至烘烤结束，不同的阶段配合相应的风速有利于密集烤房烤后烟叶质量的提高。何亚浩等［9］研究了变频技术在烟叶烘烤上的应用，结果表明，使用变频器后烟叶总糖、还原糖、蛋白质、糖碱比、两糖差和钾氯比与对照呈现显著性差异，香气物质含量最高，达到419.89μg／g，评吸质量最好，各指标得分总和最高，达到83.04。李俊鹏等［10］通过对叶间风速、垂直温差与能耗的研究及烤后烟叶的常规化学成分与感官评吸质量的测定，最终得出密集烤房变频器改造后电耗明显降低，烤后烟叶质量得到改善和提高。上述研究对变频技术的应用有一定的局限性。实践证明，只有将变频器的无级调速功能应用于烟叶烘烤，提高烘烤设备与烟叶烘烤工艺的吻合度，使设备提供的温度、湿度、风速等与烟叶衰老过程中的代谢规律高度吻合，才能够使鲜烟叶的质量最大限度地得到彰显。变频器提供的风速、热量柔和、均匀，对烟叶的加热、变黄、脱水、干燥循序渐进，使叶内生理生化反应逐渐进行，使水解反应与水分的散失协调进行，同时形成大量的香气物质，使香气物质聚集、沉淀、积累，烤后烟叶化学成分协调，香气浓郁。

4.2 烘烤节能

新世纪以来，全国累计推广密集烤房近百万座，每座密集烤房一个烤季用电在800千瓦时左右，烟叶烘烤中消耗的电能巨大。随着人们环保观念的加强，节能减排的重要性日益凸显。变频器从20世纪末引入中国以来，得到了快速发展和广泛的应用。在工业生产中变频器节能一般在40%左右。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室研究报告指出，密集烤房风机变频自控设备可降低电耗30%以上［10］。1个烤季每座烤房可节电240千瓦时。如全国的密集烤房都加装变频器，每年可省电2.4亿千瓦时，增加烟农效益1.92亿元。说明采用变频调速设备能获得巨大的经济效益。

4.3 提高设备的安全性

我国烟叶一般种植在经济落后、交通不便的山区，如云贵高原、秦巴、武陵、沂蒙山区等烟叶集中种植区多是国家的贫困地区，电力保障能力差，电力设备故障率高，设备维护困难，每年都有大量的烤房因设备故障给烟农造成经济损失。变频器在提高设备的安全性方面的卓越性能无疑提高了密集烤房的安全系数。变频器的软启动功能消除了机械的冲击力，保护机械设备，降低电机的维修费用。同时，变频器的应用也降低和减轻了设备对电网的冲击和对供电容量的要求，从而扩大了密集烤房的使用范围。