对雨林热轮至关重要的变速驱动

在幕后，大量的机械工程用于在距离加拿大边境仅 40 英里的伊利湖附近创建和维护热带雨林。这是由克利夫兰（俄亥俄州）Metroparks 完成的一项壮举，这是一家娱乐权威机构，为这座中西部城市周围的林地、高尔夫球场、远足径和其他景点提供“翡翠项链”——以其运动队和世界一流的设施而闻名管弦乐队和摇滚名人堂。如果没有最先进的暖通空调技术，这个独特的热带栖息地——位于克利夫兰 Metroparks 动物园综合体内——是否存在是值得怀疑的。它继续受益于设备改进，例如先进的电机和驱动设计。

克利夫兰维景动物园的热带雨林于 1992 年首次开放，是一个圆顶的模拟生物圈，其中包含大约两英亩的植物和野生动物，可与热带雨林和丛林中的植物和野生动物相媲美。它的空气处理系统，包括半吨热轮和 ABB 电机和驱动器，通过每 2.5 小时将水分转移到干燥的新鲜空气中，每天从设施中节省 18,000 磅的水。

克利夫兰维景动物园的热带雨林拥有 2 英亩的植物和野生动物，与世界各地的热带雨林中的植物和野生动物相似。每年有超过 100 万游客来到这个两层楼的圆顶模拟生物圈，体验穿越中美洲、非洲或亚洲热带地区的感觉——并在自然环境中看到大约 600 种动物，包括鸟类、在泻湖、沼泽和温暖的河流中玩耍的猴子、爬行动物和五颜六色的鱼。

恶劣气候下的脆弱环境
尽管五大湖的温度和湿度波动很大，那里的“阿尔伯塔快船”风暴可以在冬天迅速带来低于冰点的温度，而阳光普照的夏日高达 90 华氏度，雨林的游客和居民享受几乎恒定的 76华氏度和 76% 的湿度。这是由于强大的 HVAC 系统经过多年的发展，集成了将系统可靠性提高 100% 的组件。

投资 3000 万美元的雨林不仅将游客包围在异国情调的环境中，而且还提醒人们正在失去什么——除非可以保护更多的热带雨林和丛林面积免受过度开发。

对恒温恒湿控制至关重要的热轮应用

Direct Air Systems Inc. 在俄亥俄州克利夫兰和哥伦布设有办事处，与 Zesco Inc. 合作，Zesco Inc. 是位于克利夫兰的机电运动控制专家，为雨林以及其他著名的当地站点提供暖通空调服务，包括摇滚名人堂。

RainForest 有两个空气处理单元，100% 是外部空气。为了为设施提供和保持最佳环境条件，Direct Air Systems 为这些装置安装了 SEMCO 能量轮系统，其中一个的流量为每分钟 60,000 立方英尺，主要用于冷却；而另一个单元，额定值为 40,000 cfm，配备了预热器和加湿器架。两个装置并排放置，直径 10 英尺，重 1,000 磅的干式干燥剂热轮，这是每天节约 18,000 磅水所必需的，将雨林中陈旧的废气中的水分转移到干燥的室外每 2.5 小时送风一次。

显示的是两个直径为 10 英尺的热轮，它们是从雨林设施中转移湿气和热量并返回新鲜空气的手段。它们以每分钟 7 到 18 次的速度转动，使用 ABB 电机/驱动器直接转矩控制，不需要变速箱。取消变速箱大大提高了空气处理系统的可靠性。

术语“干燥剂”是指粘合到热轮表面的材料，用于收集水分和气味，然后通过轮的上部排出建筑物。

轮子每分钟旋转 7 到 18 次，具体取决于湿度水平。新鲜空气，称为“工艺空气”，从空气处理器的底部吸入，并通过轮子过滤。

新鲜空气的温度和湿度通过轮子的缓慢旋转以及轮子的质量和干燥剂表面转移从内部收集的一部分热量和水分的事实来调节。必要时，加热器会在空气进入 The RainForest 宽敞的内部之前对其进行加热，该内部有 60 多个温度区，包括办公室、自助餐厅和礼品店的温度区。

设施内置的空气处理装置
与空气处理机组通常采用的空气处理机组不同，它们不是安装在屋顶上并暴露在自然环境中，而是安装在设施中，以保持机组效率，否则在克利夫兰温暖的夏季和寒冷的冬季，机组效率会降低。

高效和简单区分系统
选择干燥剂工艺是为了既高效又简单。得出的结论是，锅炉、Z 形管道、热管或其他方法无法与热轮提供的 85% 的效率相提并论。此外，热轮操作极其简单。当时的想法是，基本机械设备越简单，可靠性和维护性就越高。事实证明确实如此——在一定程度上。虽然该技术本应完美无缺，但出现了一个棘手的问题。

每个车轮通过定制制造的 31 英尺长皮带旋转，首次安装时配备了额定转速为 1,750 rpm 的 1 马力交流电动机和机械变速箱，可提供 5:1 的齿轮减速。

在安装时，这是一种相当常见的设备配置。然而，人们发现用于 The RainForest 的机械变速箱以惊人的速度出现故障。一年一次，必须更换一个变速箱。没有可辨别的模式指向特定的车轮和齿轮箱布置。这是随机的。问题中唯一不变的因素是变速箱的例行故障。

难度终于确定了。它处理每分钟的转数。速度太慢，变速箱的飞溅润滑系统无法正确接合。结果，零件没有正确上油并过早磨损。

解决方案路径
由于在安装热轮时使用齿轮箱是常见的方法，因此该问题最初不被视为设备选择之一，而是被视为应用问题。每个热轮装置都是定制的，并且有自己的一套动态需要应对。

问题的解决方案包括继续在变速箱出现故障时简单更换变速箱的做法；然而，很快就发现这是昂贵的并且有点不可预测。

还考虑使用不同润滑的齿轮箱，以及为雨林应用定制定制齿轮箱。随着越来越多的人考虑设计处理润滑问题的方法，得出的结论是这些可能性接近于实验。拥有 600 只动物居民的热带雨林不是冒这种风险的好选择，尤其是当有更新的解决方案可用时。

使用驱动器，无需齿轮箱
Direct Air Systems 考虑了他们在其他 HVAC 应用方面的经验，并向克利夫兰 Metroparks Zoo 维护团队提到了一种不需要齿轮箱的交流驱动器/交流电机解决方案。这正在成为一种越来越普遍的安排，并且有着良好的记录。它也是最先进的技术，摆脱了运动部件机制所带来的问题和复杂性。

Direct Air Systems 总裁史蒂夫·斯奈德 (Steve Snyder) 解释说：“当我们看到我们在齿轮箱润滑问题上并没有走得太远时，我们转向了我们现在可用的设备。” “我们推荐的直接扭矩方法具有成本效益、易于维护和操作简单的特点。齿轮润滑不会成为问题。此外，直接扭矩是经过验证的工程。 Cleveland Metroparks 为该项目寻求投标，因为它是一个公共机构，我们的投标被选中。”

改造涉及 ABB 的直接转矩控制解决方案，该解决方案使用交流电机的转矩作为主要控制元件。

紧凑型 ABB ACS 800 变频器是 ABB 直接转矩控制解决方案的一部分，与早期变频器型号相比，占地面积小得多。这在空间有限的区域尤其有用。

每个能量轮系统中原有的1马力交流电机和齿轮箱设备被拆除，取而代之的是ABB 5马力感应电机/交流低压驱动组合。这种布置允许电机直接连接到电机/负载，而无需齿轮箱或脉冲编码器。 ABB 解决方案允许将全电机扭矩降至零速。

通过使用算法，ABB 变频器（在这种情况下是变速 ACS 型号）可以在没有编码器的情况下运行以提供速度反馈。该算法使驱动器能够每秒计算 40,000 次电机扭矩和磁通的状态。取消编码器进一步减少了维护并减少了停机时间。

虽然每个能量轮系统都由单独的江森自控系统控制，但电机和驱动器的状态由 RainForest 的综合江森自控楼宇管理系统监控。

在发生控制故障时，ABB ACS 变频器设计为自动达到预设的转速，以确保保持热传递。备用电机在 The RainForest 进行库存，驱动器保存在 Direct Air Systems 的办公地点，距离该设施仅数分钟路程。

自四年多前安装 ABB 电机/驱动器组合以来，服务从未中断过。 Direct Air Systems 越来越多地使用直接扭矩控制。

“这绝对是我们推荐的方法之一，”Snyder 解释道。 “通常有不止一种方法可以解决一个问题。基于本例的情况，直接转矩控制方法被证明是一个很好的解决方案。我们也将其应用于其他项目。它具有我们喜欢的三个特点。它具有成本效益、简单且可靠。”

拯救世界雨林的模式
通过游客对雨林的贡献，以及其他组织和政府的努力，有限数量的稀有雨林和丛林现在得到了保护，免于过度开发。持续的支持将留出更多宝贵的土地，这些土地不仅可以作为本地动植物的野生动物避难所，还可以通过从大气中去除二氧化碳来改善地球环境。此外，事实证明，这些保护区是未来神奇药物的重要来源。

每年有超过一百万人访问雨林，享受由空气处理系统维持的几乎恒定的 76 华氏度/76% 的湿度环境。除了提供娱乐和生物学教育外，该设施的另一个任务是提醒游客保护原生热带雨林的必要性，据估计，这些雨林以每秒 1.5 英亩的速度因森林砍伐而流失。

雨林是克利夫兰维京公园动物园的几个景点之一，在动物星球上有特色，占地 168 英亩，拥有北美最大的灵长类动物群，共有 3,000 只动物。

关于作者：

ABB，自动化产品，低压驱动器，是世界上最大的电动机和驱动器制造商。在美国，销售代表、分销商和系统集成商的综合渠道使威斯康星州新柏林的 ABB 能够为广泛的工业和商业提供全系列的节能电力驱动、电机和工程驱动系统顾客。制造的产品包括用于 1/8 至 135,000 马力电动机的交流和直流变速驱动器，以及满足不同客户需求的特定应用驱动系统解决方案。如需更多信息，请访问 www.abb.us/drives.com。