基于變頻電源的風機節(jié)能控制系統(tǒng)設計

王繼廣，楊耿煌，孫文彬

（天津職業(yè)技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津300222）

基于變頻電源的風機節(jié)能控制系統(tǒng)設計

王繼廣，楊耿煌，孫文彬

（天津職業(yè)技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津300222）

為提高風機的運行效率與自動控制能力，最大程度發(fā)掘風機的節(jié)能潛力，實現(xiàn)能源充分利用，提出以PLC為控制核心的風機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)機泵出口風流量的壓力變化適時調(diào)整變頻電源的輸出電壓和頻率，使電機始終運行于高效區(qū)，同時減小在閥門和管網(wǎng)上的壓力損耗，解決了風機等流性機械電能浪費嚴重的難題，有效減少了企業(yè)運行成本。

變頻電源；節(jié)能；風機；恒壓供風

據(jù)相關統(tǒng)計，當前我國普遍使用的風機等流性機械，其整體平均效率水平只有40%～50%，與國外平均水平相比，低10～20個百分點。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，特別是要求大功率風機長時間運行的場合，對風機進行節(jié)能技術改造蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?-2］。“十三五”規(guī)劃中明確提出全面節(jié)約和高效利用資源的奮斗目標，助力節(jié)能產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展。

風機工況運行時，人們通常采用加擋板或閥門的方式調(diào)節(jié)風機出口風流量大小。當用風量減少時，需要人為加大擋板或閥門的阻力，以減小出風口面積；當用風量增加時，需通過人工移動擋板或?qū)㈤y門開度變大的方法，擴大出風口面積。上述2種情況，盡管在很大程度上控制了風機出口的風流量，但有相當一部分電能被消耗在抵擋閥門與管網(wǎng)的阻力上。同時，隨著用風量的不斷調(diào)整，傳統(tǒng)機械節(jié)流方式很難保證機泵在高效區(qū)穩(wěn)定運行。這些原因都導致傳統(tǒng)風機風流量控制系統(tǒng)的運行效率很低，能源浪費問題嚴重［3］。因此，如何保證風機能在寬范圍內(nèi)高效運行，實現(xiàn)能源的充分利用已逐漸成為業(yè)界關注的重點。

本文依據(jù)變頻電源技術在節(jié)能方面的應用，在對原有電機節(jié)能改造措施進行研究分析的基礎上，設計一種風機節(jié)能智能控制系統(tǒng)。與原有風機節(jié)能方式相比，該系統(tǒng)將風機與風機系統(tǒng)視為一個整體，充分考慮電源與風機之間的需求、參數(shù)匹配和運行效率問題，尋求風機節(jié)能的最佳解決方案。系統(tǒng)評估效果表明：該系統(tǒng)可靠性好，節(jié)電率高，保護功能優(yōu)越，使用和維護簡便，具有很強的實用性與工程應用價值。

1　系統(tǒng)總體設計

風機節(jié)能控制系統(tǒng)主要由變頻電源裝置、電動離心風機、壓力傳感器、智能調(diào)節(jié)器、控制器（programmable logic controller，PLC）以及保護報警裝置等部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。變頻電源裝置采用矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）的逆變控制技術，通過調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機泵出口風流量的調(diào)節(jié)［4］。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，離心風機F1和F2共用一臺變頻裝置拖動，但2臺風機不能同時運行，同一工作時間只允許F1或F2單臺投產(chǎn)，另一臺僅作備用。整個系統(tǒng)正常運行后，由壓力傳感器PT1和PT2分別采集2臺機泵的出風口或出風口管網(wǎng)上的風流量壓力信號，之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換傳送至帶有PID控制功能的智能調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器將接收的管網(wǎng)壓力值與系統(tǒng)設定好的壓力值進行比較，得出偏差，經(jīng)PID運算后向PLC控制器發(fā)送輸出信號。PLC內(nèi)部執(zhí)行運算處理程序后輸出控制指令，直接控制變頻電源逆變單元，使三相全橋的開關器件在不同開關模式下做適當切換，最終輸出電壓和頻率可調(diào)的交流電，使電動離心風機按照匹配轉(zhuǎn)速持續(xù)穩(wěn)定工作。

為滿足工廠多樣化的風機供電需求，設置變頻運行與工頻運行2種電源控制方式，通過工頻/變頻轉(zhuǎn)換按鈕手動自由切換。同時，設置定時方案，風機在固定時間工頻運行之后可自動切換到變頻狀態(tài)。確保2種狀態(tài)之間的切換平穩(wěn)，盡量減少切換過程中對本系統(tǒng)及用風系統(tǒng)的沖擊。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1系統(tǒng)主電路設計

節(jié)能控制系統(tǒng)的主電路如圖2所示。接觸器KM1和KM3分別控制電動機M1與M2變頻運行；接觸器KM2和KM4分別控制電動機M1和M2工頻運行。圖2中的變頻裝置設計成獨立的變頻電源控制柜。電網(wǎng)側(cè)380 V/50 Hz交流電經(jīng)交-直-交電流轉(zhuǎn)換，即先把工頻交流電通過整流器變成直流電，再將直流電變換成頻率和電壓可調(diào)的交流電，從而達到工況運行下電動離心風機始終工作在高效區(qū)的目的。

圖2　節(jié)能控制系統(tǒng)主電路

2.2變頻電源裝置設計

變頻電源裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。交流電源（380 V/ 50 Hz）經(jīng)三相整流橋全波整流成直流電，儲存于由電容組成的儲能元件中；之后控制回路按照空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方式有規(guī)則地控制三相逆變橋開關器件的導通與截止，使之向機泵輸出電壓和頻率可變的交流電，輸出頻率在0～500 Hz可調(diào)。

圖3　變頻電源結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)部分選用日本富士公司研制的16位單片機—MB90F462作為主控核心，其適用于工業(yè)控制和高速實時數(shù)據(jù)處理，滿足本系統(tǒng)的實際開發(fā)應用。

2.2.1整流濾波電路設計

整流電路的主要作用是將輸入的交流電轉(zhuǎn)為直流電輸出，其輸出的電壓為單向脈動性直流電壓。

變頻電源整流部分采用湖北晶凱公司研制的MDS100-16型三相整流橋模塊。MDS100-16的平均輸出電流為100 A，反向重復峰值電壓為1 600 V，采用3M紫銅基板，導熱性能良好，且不易變形。內(nèi)部芯片采用AB雙組分硅凝膠形式的封裝，具有緩沖外力、防止氧化及有助散熱等特點。

三相整流橋電路原理如圖4所示。三相電線R、S和T分別接到3個整流半橋中。一般，二極管VD1、VD3和VD5稱為共陽極組，二極管VD2、VD4和VD6稱為共陰極組。緩沖電阻RL在變頻電源啟動時可限制較大電流，啟動結(jié)束后由可控二極管短接。工頻交流電經(jīng)整流后輸出脈動高壓電流，通過CF1和CF2兩個濾波電容得到較平穩(wěn)的電流。實際設計中，使用4只3 300 μF、500 V的電解電容，每2只以串聯(lián)之后再并聯(lián)的方式組成濾波電路。

圖4　三相整流橋電路

工作時，共陰極組的二極管，其陽極所接的是交流電壓值最大的一個導通；而共陽極組的二極管，其陰極所接的是交流電壓值最小的一個導通。每個時刻均需2個不同組的二極管同時導通，以形成向負載供電的回路。6個二極管的脈沖按照VD1→VD2→VD3→VD4→VD5→VD6的順序，相位依次相差60°；共陽極組和共陰極組二極管的脈沖各自依次相差120°。

2.2.2逆變驅(qū)動電路設計

選用廣州金升陽（MORNSUN）公司的QP12W05S-37混合型集成驅(qū)動器承擔絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的驅(qū)動任務。QP12W05S-37自帶隔離電源，可用于柵極放大驅(qū)動電路。該驅(qū)動器通過內(nèi)部光耦為功率開關器件提供必要的初級/次級間的電氣隔離，采用檢測IGBT的集電極欠飽和壓降的方式實現(xiàn)過流及短路保護功能。如果出現(xiàn)過流或短路保護動作，驅(qū)動電路將輸出故障信號。

2.2.3逆變電路設計

與整流電路相對應，逆變電路的主要作用是將直流電變成交流電。采用日本富士公司推出的2MBI300VH-120-50型IGBT模塊構(gòu)成三相橋式逆變電路。變頻電源逆變電路中共設置3個逆變模塊，分別由每一個IGBT模塊構(gòu)成上下2個橋臂。

三相橋式逆變電路如圖5所示。輸入為整流穩(wěn)壓之后的直流電，從a、b、c點輸出頻率和電壓可調(diào)的交流電。逆變電路基本工作原理為：以單相橋式逆變電路為例，系統(tǒng)上電后，如果雙極晶體管V1和V6閉合、V3和V4斷開，則輸出電壓為正；如果雙極晶體管V1和V6斷開、V3和V4閉合，則輸出電壓為負。如此可將直流電轉(zhuǎn)為交流電，通過改變IGBT的切換頻率調(diào)整交流電頻率。同理，三相橋式逆變電路也是通過180°導電方式，即每相上下橋臂交替導電，在工作瞬間將3個橋臂同時導通。IGBT在關斷瞬間其兩端易產(chǎn)生極高的自感反相電壓，此電壓可能擊穿IGBT。因此，每個IGBT都反并聯(lián)一個二極管，用于逆變電路續(xù)流和保護IGBT。系統(tǒng)設計采用SVPWM的控制方法來實現(xiàn)開關管IGBT的導通與截止。

圖5　三相橋式逆變電路

2.2.4SVPWM算法的系統(tǒng)實現(xiàn)

SVPWM是一種通過控制電壓空間矢量，促使磁鏈軌跡逼近圓形，為電動機提供圓形旋轉(zhuǎn)磁場的技術。

電動機繞組3個相電壓Ua、Ub、和Uc的矢量合成量U，可表示為：

若忽略定子繞組電阻壓降，則有［5］：

式中：ψm表示磁鏈幅值；ω為其旋轉(zhuǎn)角速度。

由式（2）可知，三相交流電壓矢量是一個以ω為電氣角速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量，矢量端點的軌跡是一個圓，所以通過分析電壓空間矢量運動軌跡，能夠解決為電動機提供旋轉(zhuǎn)磁場的問題。

三相橋式逆變電路中，同一半橋（同相）上下2個橋臂在某一瞬時只有一個開關管處于導通狀態(tài)，另一個開關管關斷，如此交替導電。如果記上橋臂導通，下橋臂關斷為開關狀態(tài)1，反之則記為開關狀態(tài)0。3個橋臂的開關狀態(tài)x、y、z可分別記為8種模式：000、001、010、011、100、101、110、111。采用對上述8種模式進行組合來近似電動機定子電壓，分別推出逆變電路輸出線電壓矢量［Ua，Ub，Uc］T和相電壓矢量［Ua，Ub，Uc］T與開關狀態(tài)矢量［x，y，z］T之間的關系表達式為［6］：

式中：UAB表示三相逆變電路的直流輸入電壓。

將開關狀態(tài)的8種組合模式代入式（4），可分別求出8種狀態(tài)下Ua、Ub和Uc所對應的相電壓。通過求取每種開關狀態(tài)下的相電壓值之和，即可得出8個基本電壓矢量和相位角。基本電壓空間矢量圖如圖6所示。利用基本矢量可進一步合成更多電壓矢量，從而越來越逼近圓形磁場。

圖6　基本電壓空間矢量圖

2.3系統(tǒng)外部控制電路

節(jié)能控制系統(tǒng)主電路所對應的外部控制電路如圖7所示。

圖7　節(jié)能控制系統(tǒng)外部控制電路

SA1為市電與節(jié)電轉(zhuǎn)換開關。開啟市電運行模式下，接觸器KM1的電磁線圈有電流通過，KM1常閉觸點斷開，此時紅燈亮，表示系統(tǒng)處于工頻運行狀態(tài)。轉(zhuǎn)動SA1開啟節(jié)電模式，接觸器KM2電磁線圈有電流通過，使其常閉觸點KM2斷開，紅燈滅；而KM1常閉觸點因失電重新閉合，此時綠燈亮，表示系統(tǒng)處于變頻運行狀態(tài)。TA側(cè)虛線框為主板故障繼電器，黃燈亮表示有故障產(chǎn)生，需要檢修；TB側(cè)虛線框表示變頻電源裝置散熱風扇繼電器。智能調(diào)節(jié)器中，KM2為控制電動機正反轉(zhuǎn)接觸器，KM*為原星三角啟動接觸器；控制器PLC選用S7-200基本模塊。PLC與變頻節(jié)能單元外部接線圖如圖8所示。

圖8　PLC與變頻節(jié)能單元外部接線圖

其中，通過接點L1、1L和2L為PLC提供操作電源，M、1M和2M為輸入公共端；Q0.1和Q0.2可分別通過中間繼電器KA1與KA3控制M1和M2處于變頻運行狀態(tài)，同時控制切入PT1和PT2獲取壓力反饋信號。Q0.3和Q0.4可分別通過中間繼電器KA2與KA4控制M1和M2處于工頻運行狀態(tài)，Q1.1和Q1.2分別通過中間繼電器KA5與KA6控制變頻電源裝置的啟停，Q1.3通過中間繼電器KA7實現(xiàn)故障跟蹤，I0.0給出市/節(jié)電轉(zhuǎn)換信號，I0.1和I0.3分別給出2臺風機的停機信號，I0.6和I0.7分別給出2臺風機的過載保護信號，I1.0和I1.1分別通過SB3和SB4給出2臺風機的工頻啟動信號。為方便對變頻裝置進行定期檢查維護或當變頻裝置出現(xiàn)故障需要檢修時，通過控制SA3與SA4的閉合與斷開，實現(xiàn)PLC與變頻節(jié)能單元的通斷。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電運行后，控制器PLC與變頻裝置之間建立通信。PLC通過循環(huán)掃描對所有輸入端子進行信號采樣，之后按照梯形圖程序及輸入信號的變化不斷執(zhí)行輸出處理，通過輸出繼電器控制風機工頻、變頻運行及工頻和變頻之間切換運行的操作。PLC控制程序流程如圖9所示。

變頻電源裝置接入市電運行后，PLC自動判斷現(xiàn)場有無正在運轉(zhuǎn)的風機。若M1和M2風機均處于停機或M1（M2）風機正處于工頻運行狀態(tài)，則M1（M2）風機在PLC控制下，投入變速運行。當壓力傳感器PT1（PT2）檢測到風機輸出壓力值達到預設值，即風機出口的風流量與用風量達到平衡時，電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到某一值；若用風量需求增加，則電動機按照預定速率加速以實現(xiàn)相應轉(zhuǎn)速；若用風量需求減少，則電動機依照預定速率減速以實現(xiàn)相應轉(zhuǎn)速；當用戶發(fā)出停止變頻運行指令后，變頻電源裝置退出，系統(tǒng)等待進一步指令。該系統(tǒng)在工頻與變頻切換過程中平穩(wěn)可靠，沖擊電流小；在變頻狀態(tài)下，電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)整具有很好的連續(xù)性，保證了管網(wǎng)壓力的動態(tài)平衡。

圖9　PLC控制程序流程圖

4　變頻調(diào)速節(jié)能效果分析

4.1直接效益

風機電機轉(zhuǎn)速n與供電頻率f之間的關系表達式為：

式中：p為電機旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。

由流體力學定律可知：風機的風量與風機的轉(zhuǎn)速呈正比，風機的風壓與風機轉(zhuǎn)速平方呈正比。風機是平方轉(zhuǎn)矩負載，其軸功率等于風量與風壓的乘積，所以風機的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方呈正比，由式（5）可知，風機的軸功率與供電頻率的3次方呈正比［7-8］。在實際應用中，風機的平均轉(zhuǎn)速若能夠通過變頻調(diào)速的方式使其始終工作在高效區(qū)，替代傳統(tǒng)通過控制擋板開度來調(diào)節(jié)氣體流量和壓力的方式，將更加充分有效地利用能源。電動離心風機在不同調(diào)節(jié)方式時的軸功率和效率曲線［9］如圖10所示。由于風機的風量與風機的轉(zhuǎn)速呈正比，所以橫坐標軸風流量的變化趨勢也反應了電機轉(zhuǎn)速的變化。

本文以額定風量時風機軸功率為100 kW為例，評估變頻節(jié)能效果。假設某廠風機全年運行時間約為6 000 h，其中有3 000 h需風量為80%，2 000 h需風量為70%，1 000小時需風量為60%。全年風機能耗計算如下。

風機工作特性方程［10］為：

式中：H為揚程；Q為風流量；H0為風流量為0時的揚程。當風量Q為0時，揚程H為1.4 Pa，則可得關系表達式為：

（1）工頻運行所耗電能

（2）變頻運行所耗電能

（3）節(jié)約電能

4.2間接效益

（1）功率因數(shù)補償節(jié)能。變頻電源裝置內(nèi)部的濾波電容可減少無功功率帶來的線損和設備發(fā)熱等無功損耗，增加電網(wǎng)側(cè)有功功率，提升設備使用效率，實現(xiàn)能源高效利用［11］。

（2）變頻軟啟動與軟停機特性。風機采用變頻電源裝置，利用變頻器的軟啟動功能，降低電機啟動電流，減輕沖擊電流對電網(wǎng)的沖擊，延長輸送氣體管道和設備的使用壽命［12］。

（3）變頻電源裝置具有十分靈敏的故障檢測功能，短路、過載、過熱等保護功能完善，提高了風機運行的可靠性。

5　結(jié)束語

本文設計了一種基于變頻電源技術的風機節(jié)能控制系統(tǒng)，并完成變頻節(jié)能效果的評估。該系統(tǒng)以可編程邏輯控制器S7-200為控制核心，結(jié)合變頻電源裝置，通過采集并反饋檢測到的機泵出口風流量壓力變化，實現(xiàn)電動機變頻調(diào)速控制功能。該系統(tǒng)設計合理，結(jié)構(gòu)簡單，控制功能強，解決了風機類負載能源使用效率低下的難題，具有較好的經(jīng)濟和社會效益，可在對能耗有嚴格控制要求的工業(yè)生產(chǎn)領域，特別在使用大功率風機較多的場合中進行推廣。

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Design of fans energy saving control system based on variable-frequency power

WANG Ji-guang，YANG Geng-huang，SUN Wen-bin
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing and Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to improve the operation efficiency of fan and automatic control capability，maximize the potential of energy saving，and achieve full utilization of energy，a fan VVVF energy-saving control system using PLC as the control core is put forward in this paper.According to the air flow pressure variation of pump outlet，the system can adjust the output voltage and frequency of inverter power supply.The motor will always run in high efficiency，and reduce the pressure loss in the valve and the pipe network.The system solves the serious problem of energy waste in fans and other flow mechanicals，which can effectively reduce the operating cost of enterprise.

variable-frequency power；energy saving；fans；constant pressure wind supply

TP273；TM315

A

2095－0926（2016）02－0030－06

2016-03-08

王繼廣（1990—），男，碩士研究生；楊耿煌（1978—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向為智能信息處理技術和電力系統(tǒng)自動化.