摘要：通過對煤氣鼓風運行工況的分析，為解決“大馬拉小車” 的問題，應用變頻調(diào)速裝置和PLC構(gòu)成風壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤氣鼓風機風量的自動控制，解決了“大馬拉小車” 的問題，達到了節(jié)能降耗的目的。
關(guān)鍵詞：可遍程序控制器 變頻調(diào)速 節(jié)能 鼓風系統(tǒng)
1 引言
在電氣拖動設(shè)備的運行過程中，經(jīng)常遇到這樣的問題，即拖動設(shè)備的負荷變化較大，而動力源電機的轉(zhuǎn)速卻不變，也就是說輸出功率的變化不能隨負荷的變化而變化。在實際中這種“大馬拉小車”的現(xiàn)象較為普遍，浪費能源。在許多生產(chǎn)過程中采用變頻調(diào)速實現(xiàn)電動機的變速運行，不僅可以滿足生產(chǎn)的需要，而且還能降低電能消耗，延長設(shè)備的使用壽命。這里介紹的煤氣鼓風機系統(tǒng)采用變頻調(diào)，并應用PLC構(gòu)成風壓閉環(huán)自動控系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機負荷的變化變速運行自動調(diào)節(jié)風量，即滿足了生產(chǎn)需要，又達到了節(jié)能降耗的目的。
2 工況分析
鼓風機系統(tǒng)構(gòu)成如下。
（1）風機型號：9-26，風量：8588 ~ 10735m3/h，風壓：10020~9630Pa。
（2）電機型號：Y225M-2，功率：45kW，電壓：380V，電流：83.9A，頻率：50Hz，功率因數(shù)：0.89，效率：2970 r/min。
鼓風機的特性曲線如圖1所示。
@gas_1.jpg
通過對鼓風機幾年來的恒速運動實際情況的記錄分析，鼓風機系統(tǒng)運行規(guī)律如下：Z大負荷時的風量為1600 m3/h，電機的電流為38A，運行時間1個月；一般負荷的風量為950 m3/h，電機的電流為36A，運行時間9個月；Z低負荷時的風量為500 m3/h，電機的電流為18A，運行時間2個月。由此可以看出，對于該鼓風機來說，Z大負荷也不到額定負荷的一半，當風量下降時，用調(diào)節(jié)管道風門的方法來改變風道阻力，使功率下降不多，耗能仍很大，這由圖1可以看出。
圖1中曲線1為風機在恒速下調(diào)節(jié)風門時的風壓-風量（H-Q）特性，曲線2為恒速下調(diào)節(jié)風門時的功率-風量（P-Q）特性，曲線3為管網(wǎng)風阻（R-Q）特性。假設(shè)風機在設(shè)計時工作在A點效率Z高，輸出風量Q1。此時，軸功率P1與Q1、H1的乘積面積AH1OQ1成正比（AH1OQ1為耗能），根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當風量需從Q1減少到Q2（例如50%風量）時，如采用調(diào)節(jié)風門的方法調(diào)整風量，相當于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性由曲線3變到曲線4，系統(tǒng)由原來的工況點A變到新的工況點B運行，盡管此時風量由Q1減小到Q2，但風壓反而由H1增加到H2，軸功率P2與Q2、H2的乘積面積BH2OQ2成正比，功率的減少并不多，可見耗能仍然很大。
采用電氣傳動調(diào)速裝置來調(diào)節(jié)風機電動機的轉(zhuǎn)速是實現(xiàn)經(jīng)濟地調(diào)節(jié)風量、有效節(jié)能的Z佳方法。我們選用變頻調(diào)速裝置對原煤氣鼓風機系統(tǒng)進行了改造，將電機恒速運行改為按負荷變化的變速運行，得到風機合適的功率輸出，達到了節(jié)能降耗的目的。
3 風機變頻調(diào)速節(jié)能原理
交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為
n = 60f / p （1- s ） （1）
由式（1）可以看出，電源頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比。即改變頻率可改變電機的轉(zhuǎn)速。當改變風機的轉(zhuǎn)速，由額定轉(zhuǎn)速n1調(diào)整到某一轉(zhuǎn)速n2時，理論上風量、風壓及軸功率變化的關(guān)系如下：Q2 = Q1 （n2 / n1），H2 = H1 （n2 / n1）2，P2 = P1 （n2 / n1）3?？梢?，風量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。由圖1可以看出當風機轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風機參數(shù)的比例定律，在轉(zhuǎn)速n2下的風壓-風量特性如曲線5所示。 可見，在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率P3（相當于面積CH3OQ2）明顯減小，節(jié)省的功率損耗 DP = P1-P2與面積BH2H3C成正比，節(jié)能效果十分明顯。所以，采用改變風機轉(zhuǎn)速的方法對風量和風壓進行控制是Z合理和經(jīng)濟的。
4 系統(tǒng)構(gòu)成
對原有煤氣鼓風機加裝變頻調(diào)速裝置，并且在鼓風機系統(tǒng)出口的管道上安裝壓力變送器，測定管道的風量變化，通過PLC對管道壓力信號的變換和處理，為變頻調(diào)速裝置提供參變量，實現(xiàn)對頻率的自動調(diào)整，也就是說對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，以達到根據(jù)負荷變化調(diào)整輸出功率，節(jié)能降耗的目的。
經(jīng)過比較，我們選用日本富士變頻器FRN45P9S-4，德國西門子公司可編程序控制器S7-200，組成風壓變頻調(diào)速自動控制裝置，對原鼓風機系統(tǒng)進行改造。
4.1 硬件組成
系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2 所示。
@gas_2.jpg
各部分主要功能分述如下
（1）操作臺。實現(xiàn)系統(tǒng)操作控制及參數(shù)的設(shè)定與顯示。
（2）可編程序控制器。選用S7-200可編程序控制器及EM235模擬量I/O模塊，完成風壓信號和操作信號可輸入以及PLC的控制輸出。
（3）變頻器。選用FRN45P9S-4變頻器，具有手動和自動調(diào)速功能。
（4）切換裝置。由繼電器、接觸器，開關(guān)等組成，實現(xiàn)1臺變頻器控制3臺鼓風機的切換，以及在變頻器故障時鼓風機的旁路工頻運行。
（5）壓力變送器。選用CECY型電容器式變送器，測定管道的風量變化。
4.2 軟件框圖
PLC軟件采用梯形圖語言，實現(xiàn)各種邏輯順序控制，風壓閉環(huán)控制等，程序框圖如圖3所示。
@gas_3.jpg
在軟件設(shè)計中利用PLC定時中斷功能完成數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波，PID運算及控制輸出。
5 運行結(jié)果
變頻調(diào)速裝置安裝投入運行后，風門全部打開，在壓力為2200 Pa，風量為600 m3/h，即可滿足生產(chǎn)要求。此時測得的系統(tǒng)參數(shù)如下：變頻器輸出頻率為25 Hz，電壓為189 V，電流為20 V；電機轉(zhuǎn)速為1485 r/min。實際運行工況在以下幾個方面有了明顯改善：?噪聲由80 dB降為40 dB左右；?風量（壓力）控制自動化，降低勞動強度，故障率降低；?運行參數(shù)觀測直觀，可同時顯示壓力、頻率、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等運行參數(shù)；?管道閥門全部打開，節(jié)門損失大大降低。
6 節(jié)約電能計算
采用變頻調(diào)速前全年總耗能為1.511×105kW·h，變頻調(diào)速后全年總耗能為4.53×104kW·h。采用變頻調(diào)速后全年節(jié)約電能為10.58×104kW·h。
另外在投運變頻調(diào)速裝置后，根據(jù)運行工況測算，可延長修周期1～2年，每年可節(jié)約大修費用約2萬元。
7 結(jié)論
實踐證明，在煤氣鼓風機系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式，可以根據(jù)負荷的變化自動調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，解決了“大馬拉小車”的問題，為降低生產(chǎn)成本，延長設(shè)備使用壽命，節(jié)能降耗，減輕勞動強度，改善工作環(huán)境開創(chuàng)了新的途徑。
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