PLC結(jié)合變頻器在風(fēng)機(jī)節(jié)能上的應(yīng)用

【摘 要】風(fēng)機(jī)是生產(chǎn)生活中隨處可見的電氣設(shè)備。大功率風(fēng)機(jī)能耗巨大，加裝基于PLC的變頻器可實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。本文主要探討了PLC結(jié)合變頻器在風(fēng)機(jī)節(jié)能上的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)；PLC；變頻器

當(dāng)前環(huán)境下，全球能源消耗日漸增大，各國能源出現(xiàn)日益緊張，因此都在提倡節(jié)能減排，倡導(dǎo)節(jié)能已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的一個共同話題。我國的風(fēng)機(jī)、水泵等大功率用電器一般都由高壓大容量電機(jī)控制，耗電量占到了全國總耗電量的45%，提倡節(jié)能技術(shù)，降低國家電能的使用將特別有意義。但是針對這些設(shè)備的節(jié)能方式往往都比較落后，大多是起不到節(jié)能的目的，反而增加了無功功率的消耗，大大的耗費(fèi)了國家的電能。長期使用這樣的調(diào)速方式增加了電機(jī)的負(fù)荷與損耗，嚴(yán)重縮短了電機(jī)的使用壽命。對高壓變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究，并將它使用在電機(jī)調(diào)速控制領(lǐng)域，這樣既可以滿足工藝生產(chǎn)不同環(huán)節(jié)的需要，也可以大大的節(jié)約電能的消耗，優(yōu)化工藝生產(chǎn)的流程，改善環(huán)境，減少生產(chǎn)維護(hù)。目前在我國使用的一些高壓變頻器，由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，高壓變頻器中使用的功率器件的耐壓等級受到了明顯的限制，而且高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是各式各樣的，我國在采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來解決高電壓大電流帶來的技術(shù)難題方面，取得了很大的成果。

1、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)整原理

由于風(fēng)機(jī)大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%-50%。而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率底下，造成電能的大浪費(fèi)。根據(jù)流體力學(xué)知識和風(fēng)機(jī)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：Q1/Q2=N1/N2；H1/H2=（N1/N2）2；P1/P2=（N1/N2）。3式中Q1、H1、P1為轉(zhuǎn)速N1的流量、揚(yáng)程、功率；Q2、H2、P2為轉(zhuǎn)速N2的流量、揚(yáng)程、功率。由此可見，當(dāng)風(fēng)機(jī)在變負(fù)荷工作情況下，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時，軸功率隨轉(zhuǎn)速比的三次方關(guān)系進(jìn)行變化，節(jié)電效果明顯。

2、方案設(shè)計(jì)

某紡區(qū)設(shè)計(jì)為2套空調(diào)，配置均為37kW送風(fēng)機(jī)1臺，15kW水泵2臺；后紡區(qū)域設(shè)計(jì)為1套空調(diào)，配置為45kW送風(fēng)機(jī)1臺，18.5kW水泵2臺。為了節(jié)能降耗及合理控制溫濕度，我們利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫濕度傳感器等構(gòu)成了溫差閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.1設(shè)備選型

PLC（可編程序控制器）選用德國SIEMENS公司S7-200產(chǎn)品，帶有集成數(shù)字量和模擬量I/O及PROF IBUS DP主站/從站接口，帶有與過程相關(guān)的功能，滿足對處理能力和響應(yīng)時間要求較高的場合，可以連接單獨(dú)的I/O設(shè)備，采用模塊化擴(kuò)展方式，便于組網(wǎng)。為了節(jié)約投資，我們只對送風(fēng)機(jī)實(shí)行變頻控制，考慮棉紡織空調(diào)工況條件較差，避免變頻器超溫保護(hù)影響生產(chǎn)，變頻器裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%～20%余量作為設(shè)計(jì)系數(shù)。在選擇變頻器時，高一級規(guī)格選用，如30kW風(fēng)機(jī)配置37kW變頻器，37kW風(fēng)機(jī)配置45kW變頻器，45kW風(fēng)機(jī)配置55kW變頻器。我們公司選用美國Rock Well公司生產(chǎn)的變頻器。

2.2控制方式

軟件設(shè)計(jì)為兩種控制方式，有自動控制方式和手動控制方式。自動控制包括進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)控、新風(fēng)調(diào)節(jié)窗的調(diào)節(jié)和熱源供應(yīng)口處比例調(diào)節(jié)閥的控制。具體情況如下：（1）進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)控。通過對變頻風(fēng)機(jī)的調(diào)控，控制新風(fēng)與回風(fēng)的使用比例達(dá)到合理要求，通過控制風(fēng)量的變化，增加或減少車間內(nèi)的換氣次數(shù)，提高或降低車間溫濕度。（2）新風(fēng)調(diào)節(jié)窗的調(diào)節(jié)。一次回風(fēng)調(diào)節(jié)窗及二次回風(fēng)調(diào)節(jié)窗裝有電動操作機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)自動控制，根據(jù)溫濕度傳感器反饋的信息，由電腦自動調(diào)節(jié)葉片在一定范圍內(nèi)的開啟或關(guān)閉的角度，從而獲取所需的溫濕度、新風(fēng)回風(fēng)比例的效果。（3）熱源供應(yīng)口處安裝比例調(diào)節(jié)閥。在連接端裝有三通氣動閥門，通過電腦得到的信息可根據(jù)溫度和濕度的需要打開預(yù)熱器和再熱器，關(guān)閉切換冷源或常溫水閥門，從而滿足車間內(nèi)溫度和濕度的要求。以生產(chǎn)區(qū)域溫度偏高時的調(diào)節(jié)為例，假定生產(chǎn)指標(biāo)設(shè)定為30℃，而溫度傳感器實(shí)測為32℃。軟件的調(diào)整方式如下：關(guān)閉進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉排風(fēng)調(diào)節(jié)閥，打開一次回風(fēng)閥，使回風(fēng)得到全部降溫冷卻，調(diào)節(jié)水泵高速運(yùn)行，增加冷源噴淋，調(diào)控變頻進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)高速度運(yùn)行，增加風(fēng)量。待生產(chǎn)區(qū)域溫度達(dá)到30℃時，軟件調(diào)控各個機(jī)構(gòu)至常態(tài)運(yùn)行的適當(dāng)位置。手動控制方式包括就地手動控制和遠(yuǎn)程手動控制。就地手動控制是指在各個空調(diào)室內(nèi)，操作按鈕或開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)、水泵、閥門、加熱器的就地手動控制。遠(yuǎn)程手動控制是指在中央控制室內(nèi)利用鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)、水泵、閥門、加熱器的遠(yuǎn)程手動控制。

3、安裝與調(diào)試

設(shè)備安裝完畢后，先將編好的軟件寫入主機(jī)并與PLC聯(lián)網(wǎng)，設(shè)定變頻器參數(shù)，檢查電器部分并逐級通電調(diào)試。投入試運(yùn)行時，人為地減少負(fù)荷，觀察流量是否因頻率的降低而減小，并找到適度的最低頻率，使變頻器在最低穩(wěn)定工作點(diǎn)狀態(tài)下工作。用溫濕度計(jì)及時檢測各點(diǎn)溫濕度，以便檢驗(yàn)溫度傳感器的精確度及校驗(yàn)各工況狀態(tài)。

4、節(jié)能分析與計(jì)算

4.1節(jié)能分析

根據(jù)異步電動機(jī)原理，有公式：n=60f/p（1-s），式中n為轉(zhuǎn)速，f為頻率，p為電機(jī)磁極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。利用變頻器調(diào)節(jié)可以改變轉(zhuǎn)速，根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。轉(zhuǎn)速與流量，壓力以及軸功率具有如下關(guān)系：流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速降為原轉(zhuǎn)速的80%時，功率降為原功率的0.83，即51.2%，可見節(jié)能潛力巨大。

4.2節(jié)能計(jì)算

根據(jù)風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式：P/P0=（n/n0）3，式中P0為額定轉(zhuǎn)速n0時的功率，P為轉(zhuǎn)速n時的功率。后紡空調(diào)風(fēng)機(jī)電機(jī)型號為Y280M-6，額定功率P0為45kW，額定轉(zhuǎn)速n0為980r/min，全年運(yùn)行時間按340天計(jì)算。風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況為：送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速800r/min運(yùn)轉(zhuǎn)120天，送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速500r/min運(yùn)轉(zhuǎn)140天，送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速400r/min運(yùn)轉(zhuǎn)80天。以后紡變頻風(fēng)機(jī)為例，由公式P/45=（n/980）3代入數(shù)據(jù)計(jì)算，改造后年耗電量W1為96466kWh。原年耗電量為W2按額定功率的70%計(jì)算則為160574kWh。每度電按0.5元計(jì)算，采用變頻調(diào)速每年可節(jié)約電費(fèi)8萬余元。自動空調(diào)系統(tǒng)一次性投資約10萬元（變頻器和計(jì)算機(jī)及軟件），投資回收期約15個月，節(jié)能效果較明顯。

4.3技術(shù)改造后的運(yùn)行效果

由于風(fēng)機(jī)采用了變頻器軟啟停，消除了原來啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊，用電環(huán)境得到了改善。由于風(fēng)機(jī)電機(jī)大多數(shù)時間運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以下，電機(jī)的噪聲、溫升及振動都大大減少，電氣故障也比原來降低，電機(jī)使用壽命也相應(yīng)延長。由于采用了溫差閉環(huán)變頻調(diào)速，提高了自動化水平，減少了人為因素的影響，改善了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。

5、結(jié)束語

兩年來的生產(chǎn)實(shí)踐證明，變頻器用于風(fēng)機(jī)類設(shè)備驅(qū)動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，還降低了停產(chǎn)時間，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。根據(jù)一年多的運(yùn)行情況來看，雖然一次性投資較大，但從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)利益來看值得實(shí)施。進(jìn)一步驗(yàn)證了利用PLC、變頻器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫濕度傳感器等組成的溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造切實(shí)可行。

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