變頻調速技術在電廠風機系統中的應用研究

張德梅 索濤

摘要：針對目前電廠風機運行效率低和系統耗能大的問題，本文分析了變頻調速用于風機系統的節能原理。提出了一套風機變頻調速控制系統方案，采用性能可靠的PLC、變頻器、壓力流量傳感器構成變頻調速系統。根據電廠風機實際工作狀態，設計了控制系統軟件。結合實例，對風機變頻調速的效益進行分析，結果表明，采用變頻調速技術控制風機，節能效果明顯，能延長設備使用壽命，具有良好的社會經濟效益。

關鍵詞：風機；PLC；變頻器；變頻調速；節能

中圖分類號：TM621文獻標識碼：A

火力發電廠中運行的風機種類和數量多，總裝機容量大，耗電量大。約占全國火電發電量的6％左右[1]。許多電廠的風機處于開環、恒速、24 h 連續運轉狀態。 由于這些設備一般都是根據生產中可能出現的最大負荷條件來選擇的，而實際運行往比設計值要小得多。目前我國火電廠風機少量采用液力耦合器調速外，其它基本上采用定速驅動，其流量通常只能通過調節擋板來控制， 存在嚴重的節流損耗。 尤其在機組變負荷運行時，由于風機的運行偏離高效點，使運行效率降低。

變頻調速是電動機調速方式中最理想的方案。 以前受價格、可靠性及容量等因素的影響，在我國一直未得到廣泛應用。近年來，隨著電力、電子器件和控制技術的迅速發展，變頻器價格不斷下降，可靠性不斷增加，采用頻器對電動機進行調速運行，耗能量將會顯著減少[2-3]，可產生巨大的節能效益。若電廠的風機系統采用變頻技術，使風機能根據系統需要的風量運行，就能提高效率、減少能耗。因此研究變頻調速技術在電廠風機系統中的應用具有十分重要的意義。

1變頻調速原理及風機節能分析

1.1 變頻調速的基本原理

目前電廠所用的風機大都是由交流異步電機驅動的，由電動機的拖動原理，可知交流異步電機的轉速表達式為:

(1)

式中: f1 為定子電源頻率；p為異步電機的磁極對數；s為電動機的轉差率。

由式(1)可知，對l臺特定的電機，其磁極對數P是一定的，因此，改變電源頻率，即可改變電動機的同步轉速。異步電動機在帶負載運行過程中隨著負載的變化，滑差s變化不大，可以近似地認為轉速與定子供電頻率成線性關系[4]。若均勻地改變定子供電頻率，則可以平滑地改變電機的轉速，從而改風機的輸出風量。

1.2 風機變頻調速的節能分析

由流體機械相關理論可知，當風機穩定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉速有以下比例關系[5]：

，，(2)

式中： 、 通風機調節前后的轉速，r/min；

P1、P 2—通風機轉速調節前后的風壓，Pa ；

N1、N 2—通風機轉速調節前后的功率，W。

由式(1)可知，可以看出風機的風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，功率與轉速的三次方成正比。如果通風機的轉速降低為原來的50%，則風量也變為原來的50%，功率降低為原來的12.5%，這說明通過改變通風機的轉速的方式，可以改變通風機的功率輸入，可以節省大量的電能。

2變頻調速在風機控制上的應用

以神火集團電力公司發電二廠的兩臺風機為例，介紹變頻調速技術在風機控制上的應用。目前該電廠的風機多為定流量系統， 僅采用節流調節方式調節，存在耗電能多、噪音大，且供風調節性能不良等問題，因此電廠決定對此風機系統進行變頻改造。由原來的節流調節改造為基于PLC控制的變頻恒壓運行調節方式。風機的具體參數如表1所示。

表1 風機性能參數

參數

名稱 容量

（kw） 電壓

（V） 額定電流（A）

1號風機 160 380 285

2號風機 90 380 166

2.1 控制系統總體方案

風機變頻調速控制系統方案如圖1所示。控制系統有PLC、變頻器、觸摸屏、和流量、壓力傳感器、報警裝置組成。控制器采用歐姆龍公司的CP1H系列PLC。根據風機的功率選用歐姆龍3G3RV系列變頻器，型號為：3G3RV-B416K和3G3RV- B4900。3G3RV系列變頻器是歐姆龍公司生產的高功能型通用變頻器，涵蓋了風機泵類專用功能、閉環矢量控制功能。控制精度高，功率范圍廣、內置PID控制器和RS485通信接口，廣泛應用于恒壓供水、空調、風機等自動化控制領域。

圖1 PLC變頻控制方案

控制系統的調速過程如下：風機變頻運行時，利用PLC實現數據采集、過程控制和變頻調節風機的轉速。系統壓力流量等過程參數送至PLC內進A/D轉換。當實際壓力低于設定壓力時，根據偏差進行數據處理，通過D/A轉換后發出指令，使變頻器輸出頻率升高，增加風機轉速；反之則逆運行，使壓力在設定范圍時保持穩定。

通過觸摸屏可以設置系統工作壓力、流量等參數。報警裝置采用聲光報警方式，當系統壓力低于設定的最低極限值時（系統某處發生故障），發出聲光報警，以便讓工作人員采取措施。設計的控制系統同時實現對風機系統運行的欠壓、過流、缺相、過載、短路、失速等保護功能。

2.2 控制方案實施

設計一個控制柜，控制柜里安裝PLC、變頻器等控制設備。PLC模擬量輸出端子接變頻器輸入端子。在風機系統里安裝壓力、流量傳感器，并將信號線連接PLC模擬量輸入端子。將380V電力電纜先接至變頻器，然后通過變頻器接至風機。

為充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝了工頻旁路裝置，變頻器異常時退出運行，電動機可以直接手動切換到工頻運行。檢測到系統故障時，變頻控制柜的控制回路可以實現40s內從變頻控制方式自動切換到工頻控制方式。變頻器故障信號發送給操作臺。同時，發出聲光報警。

3 控制系統軟件設計

可編程控制器（PLC）程序設計包括程序流程設計和用戶程序編寫兩大部分。由于可編程控制器采用循環掃描的工作方式運行程序，本文采用了順序結構的逐步控制方式設計程序流程，程序流程圖如圖2所示。

程序首先進行初始化，接受輸入設定值，接著進行故障檢測，綜合來自控制系統外圍的故障信息和內部系統程序故障信息。若有故障，系統根據故障類型報警。若系統正常，則等待啟動信號。當有啟動信號時，PLC通過參數設置將變頻器驅動信號設置為外部驅動，使風機運轉。PLC同時讀取系統的壓力信號，實時顯示，并與設定的壓力值比較，確定是風機加速運行還是減速運行。

結合程序流程圖，采用歐姆龍公司開發的梯形圖編程支持軟件CX-Programmer進行程序的編制。程序在PC上調試成功后，通過通訊數據線下載到PLC里，控制系統便可以運行。

圖2 程序流程圖

4 風機變頻調速的效益分析

風機系統采用PLC與變頻器相結合的變頻調速技術，由變頻器實現無級平滑調速，動態響應快，大大提高了系統的自動化程度，其風量調節性能也得到很大提高。

實行變頻調速后，風機的輸出功率自動跟隨負載的變化而變化，大大降低電能的浪費。通過一段時間的運行測試，2號風機的工頻電流由原來的平均125 A 下降到現在的平均80A，節能效果相當顯著，根據電度表測定，節能效率在30%左右。

在變頻改造以前，根據統計情況，鍋爐1號風機的運行工頻電流在220-260 A，目前在鍋爐相同運行情況下，1號風機的工頻電流在90～170 A，平均降低電流達到115 A 左右，根據計算，平均每天節電85 kW?h，工業用電按0.7元/ kW?h計算，每年按360天計算，則每年可節約電費為： 元，經濟效益相當顯著。變頻調速設備改造費用5.5萬元，2.5年就可收回成本。

變頻改造前，風機每次啟動都會對電機、電纜、接觸器產生很大的沖擊，在較大慣性負載的情況下，會產生幾倍于額定值的啟動電流(6—7倍)，所產生的電流沖擊和機械沖擊，會對設備造成不利的影響。使用變頻裝置以后，啟動時電流從零開始，隨著轉速增加而上升，實現了電機的軟啟動，對電機和電網的沖擊大幅度下降，可以延長風機設備的使用壽命，降低設備的維修費用。

5 結語

基于PLC的變頻調速技術應用于電廠風機，風機可以按照系統的需要進行風量的及時調節，提高了設備運行效率，又降低了電能消耗、設備維修費用。同時，該控制系統具有完善的報警和保護功能，大大提高了電廠風機的自動化安全運行水平。泵與風機具有相似的運行特性，該控制系統稍加改進便可用于泵的調速。基于PLC的變頻調速技術在電廠中具有較好的應用前景。

參考文獻

[1] 白愷. 火力發電廠中壓變頻調速技術應用調查 [J]. 電力設備，2008，25(5):106-108.

[2] 張選正．中高壓變頻器應用技術[M]．北京，電子工業出版社， 2007：30-40.

[3] 杜均新．高壓變頻器在煤礦主通風機上的應用[J]．煤礦機械，2008，29(4)：157-160.

[4] 李明，黃丕維，朱光明．火電廠泵與風機變頻改造技術及應用[J]．華電技術，2008，30(8)：55-57.

[5] 盧正偉．變頻調速在電廠給供水應用探討 [J]．自動化技術與應用，2006，25(10)：79-80.

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。