PLC結合變頻器在風機節能上的應用

【摘 要】風機是生產生活中隨處可見的電氣設備。大功率風機能耗巨大，加裝基于PLC的變頻器可實現有效節能。本文主要探討了PLC結合變頻器在風機節能上的應用。

【關鍵詞】風機；PLC；變頻器

當前環境下，全球能源消耗日漸增大，各國能源出現日益緊張，因此都在提倡節能減排，倡導節能已經成為世界范圍內的一個共同話題。我國的風機、水泵等大功率用電器一般都由高壓大容量電機控制，耗電量占到了全國總耗電量的45%，提倡節能技術，降低國家電能的使用將特別有意義。但是針對這些設備的節能方式往往都比較落后，大多是起不到節能的目的，反而增加了無功功率的消耗，大大的耗費了國家的電能。長期使用這樣的調速方式增加了電機的負荷與損耗，嚴重縮短了電機的使用壽命。對高壓變頻調速技術進行研究，并將它使用在電機調速控制領域，這樣既可以滿足工藝生產不同環節的需要，也可以大大的節約電能的消耗，優化工藝生產的流程，改善環境，減少生產維護。目前在我國使用的一些高壓變頻器，由于自身結構的特點，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，而且高壓變頻器調速系統的拓撲結構也是各式各樣的，我國在采用不同的拓撲結構來解決高電壓大電流帶來的技術難題方面，取得了很大的成果。

1、風機變頻調整原理

由于風機大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用調速器來調節流量、風量，應用變頻器節電率為20%-50%。而且通常在設計中，用戶電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，效率底下，造成電能的大浪費。根據流體力學知識和風機水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間的關系為：Q1/Q2=N1/N2；H1/H2=（N1/N2）2；P1/P2=（N1/N2）。3式中Q1、H1、P1為轉速N1的流量、揚程、功率；Q2、H2、P2為轉速N2的流量、揚程、功率。由此可見，當風機在變負荷工作情況下，采用變頻器調節電機轉速時，軸功率隨轉速比的三次方關系進行變化，節電效果明顯。

2、方案設計

某紡區設計為2套空調，配置均為37kW送風機1臺，15kW水泵2臺；后紡區域設計為1套空調，配置為45kW送風機1臺，18.5kW水泵2臺。為了節能降耗及合理控制溫濕度，我們利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫濕度傳感器等構成了溫差閉環自動調節系統。

2.1設備選型

PLC（可編程序控制器）選用德國SIEMENS公司S7-200產品，帶有集成數字量和模擬量I/O及PROF IBUS DP主站/從站接口，帶有與過程相關的功能，滿足對處理能力和響應時間要求較高的場合，可以連接單獨的I/O設備，采用模塊化擴展方式，便于組網。為了節約投資，我們只對送風機實行變頻控制，考慮棉紡織空調工況條件較差，避免變頻器超溫保護影響生產，變頻器裝機容量是取系統最大負荷再增加10%～20%余量作為設計系數。在選擇變頻器時，高一級規格選用，如30kW風機配置37kW變頻器，37kW風機配置45kW變頻器，45kW風機配置55kW變頻器。我們公司選用美國Rock Well公司生產的變頻器。

2.2控制方式

軟件設計為兩種控制方式，有自動控制方式和手動控制方式。自動控制包括進風風機變頻調控、新風調節窗的調節和熱源供應口處比例調節閥的控制。具體情況如下：（1）進風風機變頻調控。通過對變頻風機的調控，控制新風與回風的使用比例達到合理要求，通過控制風量的變化，增加或減少車間內的換氣次數，提高或降低車間溫濕度。（2）新風調節窗的調節。一次回風調節窗及二次回風調節窗裝有電動操作機構均可實現自動控制，根據溫濕度傳感器反饋的信息，由電腦自動調節葉片在一定范圍內的開啟或關閉的角度，從而獲取所需的溫濕度、新風回風比例的效果。（3）熱源供應口處安裝比例調節閥。在連接端裝有三通氣動閥門，通過電腦得到的信息可根據溫度和濕度的需要打開預熱器和再熱器，關閉切換冷源或常溫水閥門，從而滿足車間內溫度和濕度的要求。以生產區域溫度偏高時的調節為例，假定生產指標設定為30℃，而溫度傳感器實測為32℃。軟件的調整方式如下：關閉進風調節閥，關閉排風調節閥，打開一次回風閥，使回風得到全部降溫冷卻，調節水泵高速運行，增加冷源噴淋，調控變頻進風風機高速度運行，增加風量。待生產區域溫度達到30℃時，軟件調控各個機構至常態運行的適當位置。手動控制方式包括就地手動控制和遠程手動控制。就地手動控制是指在各個空調室內，操作按鈕或開關可以實現對風機、水泵、閥門、加熱器的就地手動控制。遠程手動控制是指在中央控制室內利用鼠標實現對風機、水泵、閥門、加熱器的遠程手動控制。

3、安裝與調試

設備安裝完畢后，先將編好的軟件寫入主機并與PLC聯網，設定變頻器參數，檢查電器部分并逐級通電調試。投入試運行時，人為地減少負荷，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，使變頻器在最低穩定工作點狀態下工作。用溫濕度計及時檢測各點溫濕度，以便檢驗溫度傳感器的精確度及校驗各工況狀態。

4、節能分析與計算

4.1節能分析

根據異步電動機原理，有公式：n=60f/p（1-s），式中n為轉速，f為頻率，p為電機磁極對數，s為轉差率。利用變頻器調節可以改變轉速，根據流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載。轉速與流量，壓力以及軸功率具有如下關系：流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。當轉速降為原轉速的80%時，功率降為原功率的0.83，即51.2%，可見節能潛力巨大。

4.2節能計算

根據風機、泵類平方轉矩負載關系式：P/P0=（n/n0）3，式中P0為額定轉速n0時的功率，P為轉速n時的功率。后紡空調風機電機型號為Y280M-6，額定功率P0為45kW，額定轉速n0為980r/min，全年運行時間按340天計算。風機運行情況為：送風機轉速800r/min運轉120天，送風機轉速500r/min運轉140天，送風機轉速400r/min運轉80天。以后紡變頻風機為例，由公式P/45=（n/980）3代入數據計算，改造后年耗電量W1為96466kWh。原年耗電量為W2按額定功率的70%計算則為160574kWh。每度電按0.5元計算，采用變頻調速每年可節約電費8萬余元。自動空調系統一次性投資約10萬元（變頻器和計算機及軟件），投資回收期約15個月，節能效果較明顯。

4.3技術改造后的運行效果

由于風機采用了變頻器軟啟停，消除了原來啟動時大電流對電網的沖擊，用電環境得到了改善。由于風機電機大多數時間運行在額定轉速以下，電機的噪聲、溫升及振動都大大減少，電氣故障也比原來降低，電機使用壽命也相應延長。由于采用了溫差閉環變頻調速，提高了自動化水平，減少了人為因素的影響，改善了系統的運行環境和運行質量。

5、結束語

兩年來的生產實踐證明，變頻器用于風機類設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產時間，直接和間接經濟效益較為明顯。根據一年多的運行情況來看，雖然一次性投資較大，但從長遠的經濟利益來看值得實施。進一步驗證了利用PLC、變頻器、數模轉換模塊、溫度模塊、溫濕度傳感器等組成的溫差閉環自動控制系統，對空調系統的節能改造切實可行。

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