基于PLC與變頻器的風機節能控制系統應用探討

李 劍

LI Jian

（南京化工職業技術學院，南京 210048）

0 引言

電力能源工業作為國家國民經濟發展的重要基礎，對社會經濟發展以及提高人們生活水平具有非常重要的意義。在全世界經濟高速發展的環境下，加上國家環境保護壓力的不斷增加，中國電力能源工業面臨非常大的市場經濟挑戰。由于受電能生產技術、資金、以及能源價格等多方面因素的共同影響，我國在電力能源資源的綜合利用效率方面較國外一些發達國家還有很大差距，大致只有發達國家能源利用效率的50%左右。電力工業能源資源的浪費大多發生在電能生產、傳輸、分配調度等環節，因此，提高我國電力工業電能生產能源綜合利用效率已成為風機節能控制工作人員研究的一個重要課題。據國際能源署相關文獻資料表明，全球在1995～2010年15年間，每年平均發電新裝機容量已超過1億kW，每年新增加發電總量約為5000億度。我國在最近10年電力工業得到了快速發展，據國家能源局相關統計資料表明，我國2004年新增裝機容量為0.5億kW，新增加發電總量為2818億度電；2005年新增裝機容量為0.65億kW，相應新增加發電總量達到3665億度電；到2007年全國新增裝機容量已經高達1億kW。雖然我國發電裝機總量在不斷提高，但是電力工業建設還是跟不上社會經濟發展步伐，很多地區依然出現較為嚴重的缺電問題，也就是說要解決我國目前電能短缺問題，一方面除了要加快電力工業建設步伐外；另一方面還應在電力節能降耗方面下功夫。從大量文獻資料和工程實際經驗可知，智能樓宇空調系統中的風機系統能耗約占整個樓宇建筑用電系統容量的80%左右，其中風機、水泵等輔機設備的綜合能耗是樓宇建筑能耗的主要組成部分，這些設備系統長期處于“大馬拉小車”等低效工況區，造成巨大的電能資源浪費，從而大大增加了單位電能生產成本[1]。因此，采用PLC與變頻器的節能控制技術對智能樓宇建筑風機控制系統進行節能降耗技術升級改造研究具有非常重要的工程實際意義。

1 離心式風機工作特性曲線分析

智能樓宇建筑中風機控制系統絕大多數是采用感應式電動機為整個系統提供拖動原動力，控制系統在運行過程中的主要任務就是根據空調通風區域的需求傳輸和調節系統風流量，為空調房間營造一個舒適安逸的工作學習、起居休閑環境。普通籠型感應式電動機由于其自身結構因素，本身就不具備調速功能，為了給機組提供不同風量，90%以上普通風機系統均采用外設調節擋板或閘門，通過控制調節擋板或閘門的開度大小來實現風流量調節，以滿足智能樓宇建筑通風空調系統工藝需求。因此，智能樓宇建筑風機系統在進行選型設計時，為了滿足樓宇建筑內部空調房間的最大風流量需求，通常按照最大負荷進行選擇。這樣當系統需求風流量減少時，就只能通過減小擋板或閘門開度增加系統中風流阻力，降低風機運行輸送壓力，來實現對智能樓宇建筑空調系統風系統的靜態調節。在風機系統靜態調節過程中，由于靠機械調節，風機電動機在整個運行過程中其輸出運行功率始終保持在滿負荷運行工況中，沒有隨負荷減小而減少其輸出，從而造成輸出與輸入間長期處于不平衡運行工況，造成大量電能浪費。由于風機的運行軸功率與其實際運行轉速間呈三次方正比關系，如果采用變頻調速控制方式取代常規擋板或閥門調節模式，由控制系統根據輔機系統風量需求，動態調節風機電動機轉速，這樣就可以在滿足發電機風量需求的同時，消除系統其它附件結構帶來的節流損失，同時還可以提高風機電動機綜合運行效率，使整個風機系統安全穩定、節能經濟的高效運行。風機電動機不同控制模式工作特性曲線如圖1所示。

圖1 風機電動機不同控制模式工作特性曲線

圖1中，曲線1-3為風機電動機處于恒速運行工況條件下的H-Q特性關系曲線，其中曲線2為風機系統風門全開工況；曲線3為風機電動機處于恒速運行工況下的管阻特性曲線。從圖1可知，當風機系統的擋板或閘門處于全開位置時，此時風機系統運行在工況點A處，此時系統的送風量Q可以認為100%額定風量，也就是說此時風機電動機的軸功率與面積AH10Q2成正比關系；若在某種條件下，風機控制系統需求風量負荷由Q2減少到Q1（假定為50%額定風量），此時由于風機電動機始終處于恒速運行工況，因此需要采用減小擋板或閘門開度將增到系統管道阻力，從而實現降低流量的目的，則此時系統管網風阻特性曲線將由曲線2演變到曲線3，相應風機運行工況點將由A點移動到B點處，風機電動機軸功率與面積BH20Q1成正比。從上述分析可知，從工況點A點移動到B點處，整個風機輔機系統的風量需求減少為額定負荷的50%，而風機電動機的軸功率卻沒有如何降低（面積BH20Q1與面積AH10Q2幾乎相等），也就是說采用擋板或閘門進行風流量節流調節，是依靠外加附件增加管網阻力的機械措施實現風流量的靜態調節，這樣勢必會造成巨大的電能浪費。從大量工程實踐經驗來看，高層樓宇建筑風機系統普遍采用離心式風機，大多依靠在進氣口加設檔板或閘門來完成風流量的調節，這種控制模式雖然存在結構簡單、操作維護方面等優點，但是由于在運行過程中，整個風機電動機拖拽系統長期處于恒速運行工況，不僅造成巨大的電能資源浪費，而且風機系統長期處于輸入與輸出間不平衡的低效運行工況，必然會造成風機系統產生大量的熱量，巨大的熱量會降低風機系統的絕緣水平，降低系統綜合運行水平。

2 智能樓宇建筑風機變頻調速節電效益分析

對于智能樓宇建筑風機控制系統的機械調節設備能耗而言，其中有很大一部分是由于風機電能利用效率較低的調節工況所浪費掉。對于以擋板和閘門進行風門風量調節的風機控制系統而言，這是一個固有的不可避免的能源浪費問題。對于這類風機控制系統最好的節能途徑就是用以PLC和變頻器為核心的變頻調速控制系統進行技術改造。由于基于PLC與變頻器的變頻調速控制系統能夠根據系統實際運行工況，根據系統實際風量需求形成相應的頻率調節信號，直接作用在風機電機上，形成輸入與輸出間平滑調節性能曲線，即在風量負荷需求小時采取低轉速變頻調速運行模式，降低風機電動機的轉速，通過降低軸功率實現整個風機控制系統節能降耗高效經濟調節運行[2]。從實際應用中，風機流量、壓力以及風機電動機轉速對軸功率和節電率的影響效應大概可以歸納如表1所示。

從表1可知，當空調系統風機控制系統處于不同的轉速時，其對風機電動機的軸功率以及節電率的影響非常之大。風機控制系統在低負荷工況調節下其節能潛力非常巨大，如從100%額定轉速降低到70%額定轉速時，其節能率可以從0%升高到65.7%，也就是說對長期運行在低負荷、低轉速工況條件下的智能樓宇建筑空調系統風機控制子系統增加基于PLC與變頻器的變頻調速自動控制裝置后，可以有效降低智能樓宇建筑電能綜合消耗，達到節能降耗的目的。從圖1可知，采用基于PLC與變頻器的變頻調速自動控制裝置進行風機控制系統改造后，可以有效降低整個風機系統的流量，風機H-Q特性工況曲線也下移到曲線4，即處于在同一流量Q2工況點下，風機電動機的軸功率與面積CH30Q1成正比，它要與面積BH20Q1小很多，即整個風機控制系統節省的功率損耗與面積BH2H3C成正比，由此帶來的節電效果十分明顯。

表1 智能樓宇風機轉速、流量、壓力、軸功率、以及節電率間特性關系表

3 結論

利用基于PLC與變頻器的變頻調速自動控制裝置對樓宇建筑中空調系統的風機控制系統進行技術改造后，可以有效降低風機電動機的實際軸功率大小，達到節能降耗的目的。對于一臺容量為150kw的樓宇建筑空調系統中壓風機控制系統而言，采用變頻調速裝置進行技術改造后，大致可以在1.5年就能收回成本，也就是說基于PLC與變頻器為核心的變頻調速自動控制裝置在智能樓宇建筑空調系統風機控制系統技術改造中具有非常大的節能潛力，是智能樓宇建筑節能降耗，提高其內部空調系統綜合運行技能水平的重要技術措施。

[1] 金濤.變頻空調器的變頻原理[J].考試周刊,2011,(11)：159-160.

[2] 江靜,張雪松.基于模糊PID控制的變頻空調電氣控制系統的設計[J].華北科技學院學報,2010,7(04)：64-70.

[3] 李偉浪.變頻空調器節能技術研究[J].中國科技博覽,2010,(29)：277.

[4] 劉合松.變頻空調器及其節能[J].商丘職業技術學院學報,2003,(06)：31-32.

[5] 高洪利,賈相華,蘇偉.常用的幾種交流調速方式簡介[J].電氣自動化,2005(01)：24-27.

[6] 彭海宇,杜俊明.變頻調速節能的計算方法自動化信息[J].中國電力,2006,4(10)：5-9.