PLC結合變頻器在風機節能上的應用

趙志權

【摘要】水泥立窯使用羅茨鼓風機在水泥行業中耗電量很大，居立窯水泥生產用電設備首位，我國水泥立窯每噸熟料耗能折標煤比國際先進水平高出了34%以上。本文主要探討PLC控制結合變頻調速系統設計在水泥廠風機節能上的應用。

【關鍵詞】PLC 變頻調速 水泥廠 風機

【中途分類號】TM571.61；TM921.51 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-01-01

水泥廠羅茨風機為容積式風機，羅茨風機是通過兩個緊靠的葉輪的旋轉完成吸風和送風過程的。當電機通過聯軸器或帶輪帶動主動軸轉動時，安裝在主動輪上的齒輪帶動從動輪上的齒輪。按相反方向同步旋轉，使嚙合的轉子相隨轉動，從而使機殼與轉子形成一個空間，氣體從進氣口進入空間。此時，氣體會受到壓縮并被轉子擠出出氣口，而另一個轉子則轉到與第一個轉子在壓縮開始的相對位置，與機殼的另一邊形成一個新空間，新的氣體又進入這一空間，被擠壓出，這樣連續的運動。從而達到鼓風的目的。PLC作為傳統繼電器的替代產品，廣泛應用于工業控制的各個領域。

1、傳統水泥廠羅茨風機的特性

通常，離心風機屬于平方轉矩特性，而羅茨風機則介于平方轉矩和恒轉矩特性之間，因此在選用變頻器時需要特別注意。離心風機可以用風機水泵型的變頻器，而羅茨風機則應根據其轉矩特性來選用變頻器。根據已往做過的一些羅茨風機變頻改造項目來看，風機水泵型的變頻器及通用型變頻器均有在羅茨風機使用成功的工程案例，只是通用型變頻器在成本上可能要比風機水泵型的高一些，離心式風機的風壓力不大，而羅茨風機是一種高壓的容積式風機，輸送的風量與轉數成比例，把氣體由吸入的一側輸送到排出的一側。在水泥立窯工藝流程過程中，風機必須滿足立窯在各種工況下的送風強度要求。羅茨鼓風機為定容式風機，風量變化小，而壓力高，在一定轉速下，壓力隨阻力的變化而變化。羅茨鼓風機的優點是：當窯內燃燒不正常，阻力大時，因風量變化小而容易滿足立窯對送風強度要求的特點。

2、PLC控制與變頻器的連接

2.1 開關指令信號的輸入

變頻器的輸入信號中包括對運行/停止、正轉/反轉、微動等運行狀態進行操作的開關型指令信號。在使用繼電器接點時，常常因為接觸不良而帶來誤動作；使用晶體管進行連接時，則需考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統的可靠性。在設計變頻器的輸人信號電路時還應該注意，當輸入信號電路連接不當時，有時也會造成變頻器的誤動作。例如，當輸入信號電路采用繼電器等感性負載時，繼電器開閉產生的浪涌電流帶來的噪聲有可能引起變頻器的誤動作，應盡量避免。當輸入開關信號進入變頻器時，有時會發生外部電源和變頻器控制電源（24VDC）之間的串擾。正確的連接是利用PLC電源，將外部晶體管的集電極經過二極管接到PLC。

2.2 數值信號的輸入

當變頻器和PLC的電壓信號范圍不同時，如變頻器的輸入信號為0～10V，而PLC的輸出電壓信號范圍為O～5V時；或PLC的一側的輸出信號電壓范圍為0～10V，而變頻器的輸入電壓信號范圍為0～5V時，由于變頻器和晶體管的允許電壓、電流等因素的限制，需用串聯的方式接入限流電阻及分壓方式，以保證進行開閉時不超過PLC和變頻器相應的容量。此外，在連線時還應注意將布線分開，保證主電路一側的噪聲不傳到控制電路。通常變頻器也通過接線端子向外部輸出相應的監測模擬信號，電信號的范圍通常為O～10V/5V及0/4～20mA電流信號。無論哪種情況，都應注意：PLC一側的輸入阻抗的大小要保證電路中電壓和電流不超過電路的允許值，以保證系統的可靠性和減少誤差。另外，由于這些監測系統的組成互不相同，有不清楚的地方應向廠家咨詢。另外，在使用PLC進行順序控制時，由于CPU進行數據處理需要時間，存在一定的時間延遲，故在較精確的控制時應予以考慮。

3、PLC控制結合變頻調速在風機節能上的應用

3.1 變頻器選擇

變頻器連續調速功能是使用變頻器的追蹤速度模擬給定信號來改變輸出頻率功能。在此選擇的變頻器主要從其所驅動的負載特性.穩定性.品牌.價格及用戶的要求幾個方面來考慮。根據以前的實際經驗。本案例選用SIEMENSMM430系列變頻器。如果羅茨風機的啟動轉矩大可考慮使用MM440系列變頻器。MM430變頻器由微處理器控制，并采用具有現代先進技術水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。MM430變頻器的脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，通過調整變頻器的脈沖寬度調制的開關頻率，可以降低電動機運行的噪聲，MM430變頻器具有全面而完善的保護功能。可為變頻器本身和電動機提供良好的保護。

3.2 自動化控制方案

通常，水泥廠所使用的羅茨風機的功率都較大，工頻一般采用自耦降壓啟動。根據羅茨風機的這一特點及其控制要求，如是改造項目應保留原工頻系統作為備用，則新建項目最好做成工頻.變頻雙主回路系統互為備用。多數羅茨風機的變頻節能改造都是人工開環調速的，但對于已有DCS等一些大型集散控制系統則可將變頻器的調節系統接入其中，實現自動閉環調節控制，并完善整個水泥廠的自動化系統。調試變頻負載運轉：按下BT2按鈕注意觀察，變頻器啟動，羅茨風機及變頻器逐步加速到上限頻率15Hz；并用鉗形電流表測量變頻器輸入端的三相電流是否在正常的范圍內逐步增加并隨頻率的穩定而穩定；按下BTI按鈕看變頻器及檢布機是否逐步減速到OHz（O轉速）并停止。

3.3 實施效果

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，由下表可知其節能率可以從O%升高到65.8%。對于150kw的風機而言，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，因此是提高其內部系統綜合運行技能水平的重要技術措施。

結論

本次介紹的利用PLC控制交流變頻調速系統設計具有可靠性高、編程直觀、接線簡單、擴展容易等特點，且舒適感好。PLC結合變頻器調速系統在水泥廠風機節能上的應用是比較好的一種實現方式，其運行效果是很不錯的。