[關(guān)鍵詞]可遍程序控制器 變頻調(diào)速 節(jié)能 鼓風(fēng)系統(tǒng)

　　摘要 ：通過(guò)對(duì)煤氣鼓風(fēng)運(yùn)行工況的分析，為解決“大馬拉小車(chē)” 的問(wèn)題，應(yīng)用變頻調(diào)速裝置和 變頻軟起 構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的自動(dòng)控制，解決了“大馬拉小車(chē)” 的問(wèn)題，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

　　1 引言
　　在電氣拖動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常遇到這樣的問(wèn)題，即拖動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷變化較大，而動(dòng)力源電機(jī)的轉(zhuǎn)速卻不變，也就是說(shuō)輸出功率的變化不能隨負(fù)荷的變化而變化。在實(shí)際中這種“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象較為普遍，浪費(fèi)能源。在許多生產(chǎn)過(guò)程中采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行，不僅可以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，而且還能降低電能消耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。這里介紹的煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用變頻調(diào)，并應(yīng)用 變頻軟起 構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)自動(dòng)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)負(fù)荷的變化變速運(yùn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，即滿(mǎn)足了生產(chǎn)需要，又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

　　2 工況分析
　　鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成如下。
　　（ 1 ）風(fēng)機(jī)型號(hào)： 9-26 ，風(fēng)量： 8588 ~ 10735m 3 /h ，風(fēng)壓： 10020~9630Pa 。
　　（ 2 ）電機(jī)型號(hào)： 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(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)如圖 1 所示。

　　通過(guò)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)幾年來(lái)的恒速運(yùn)動(dòng)實(shí)際情況的記錄分析，鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律如下：zui大負(fù)荷時(shí)的風(fēng)量為 1600 m 3 /h ，電機(jī)的電流為 38A ，運(yùn)行時(shí)間 1 個(gè)月；一般負(fù)荷的風(fēng)量為 950 m 3 /h ，電機(jī)的電流為 36A ，運(yùn)行時(shí)間 9 個(gè)月；zui低負(fù)荷時(shí)的風(fēng)量為 500 m 3 /h ，電機(jī)的電流為 18A ，運(yùn)行時(shí)間 2 個(gè)月。由此可以看出，對(duì)于該鼓風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，zui大負(fù)荷也不到額定負(fù)荷的一半，當(dāng)風(fēng)量下降時(shí)，用調(diào)節(jié)管道風(fēng)門(mén)的方法來(lái)改變風(fēng)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(xiàn) 1 為風(fēng)機(jī)在恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)時(shí)的風(fēng)壓 - 風(fēng)量（ H-Q ）特性，曲線(xiàn) 2 為恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)時(shí)的功率 - 風(fēng)量（ P-Q ）特性，曲線(xiàn) 3 為管網(wǎng)風(fēng)阻（ R-Q ）特性。假設(shè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在 A 點(diǎn)效率zui高，輸出風(fēng)量 Q 1 * 。此時(shí)，軸功率 P 1 與 Q 1 、 H 1 的乘積面積 AH1OQ 1 成正比（ AH 1 OQ 1 為耗能），根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需從 Q 1 減少到 Q 2 （例如 50% 風(fēng)量）時(shí)，如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的方法調(diào)整風(fēng)量，相當(dāng)于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性由曲線(xiàn) 3 變到曲線(xiàn) 4 ，系統(tǒng)由原來(lái)的工況點(diǎn) A 變到新的工況點(diǎn) B 運(yùn)行，盡管此時(shí)風(fēng)量由 Q 1 減小到 Q 2 ，但風(fēng)壓反而由 H 1 增加到 H 2 ，軸功率 P 2 與 Q 2 、 H 2 的乘積面積 BH 2 OQ 2 成正比，功率的減少并不多，可見(jiàn)耗能仍然很大。
　　采用電氣傳動(dòng)調(diào)速裝置來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)風(fēng)量、有效節(jié)能的*方法。我們選用變頻調(diào)速裝置對(duì)原煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將電機(jī)恒速運(yùn)行改為按負(fù)荷變化的變速運(yùn)行，得到風(fēng)機(jī)合適的功率輸出，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

　　3 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理
　　交流異步電動(dòng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由額定轉(zhuǎn)速 n 1 調(diào)整到某一轉(zhuǎn)速 n 2 時(shí)，理論上風(fēng)量、風(fēng)壓及軸功率變化的關(guān)系如下： Q 2 = Q 1 (n 2 / n 1 ) ， H 2 = H 1 (n 2 / n 1 ) 2 ， P 2 = P 1 (n 2 / n 1 ) 3 ?？梢?jiàn)，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)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(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由 n 1 降到 n 2 ，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，在轉(zhuǎn)速 n 2 下的風(fēng)壓 - 風(fēng)量特性如曲線(xiàn) 5 所示。 可見(jiàn)，在滿(mǎn)足同樣風(fēng)量 Q 2 的情況下，風(fēng)壓 H 3 大幅度降低，功率 P 3 （相當(dāng)于面積 CH 3 OQ 2 ）明顯減小，節(jié)省的功率損耗 D P = P 1 -P 2 與面積 BH 2 H 3 C 成正比，節(jié)能效果十分明顯。所以，采用改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓進(jìn)行控制是zui合理和經(jīng)濟(jì)的。

　　4 系統(tǒng)構(gòu)成
　　對(duì)原有煤氣鼓風(fēng)機(jī)加裝變頻調(diào)速裝置，并且在鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出口的管道上安裝壓力變送器，測(cè)定管道的風(fēng)量變化，通過(guò) 變頻軟起 對(duì)管道壓力信號(hào)的變換和處理，為變頻調(diào)速裝置提供參變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的自動(dòng)調(diào)整，也就是說(shuō)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整輸出功率，節(jié)能降耗的目的。
經(jīng)過(guò)比較，我們選用日本富士變頻器 FRN45P9S-4 ，德國(guó)西門(mén)子公司可編程序控制器 S7-200 ，組成風(fēng)壓變頻調(diào)速自動(dòng)控制裝置，對(duì)原鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造。
　　4.1 硬件組成
　　系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖 2 所示。

　　各部分主要功能分述如下
　　（ 1 ）操作臺(tái)。實(shí)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(fēng)壓信號(hào)和操作信號(hào)可輸入以及 變頻軟起 的控制輸出。
　　（ 3 ）變頻器。選用 FRN45P9S-4 變頻器，具有手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)速功能。
　　（ 4 ）切換裝置。由繼電器、接觸器，開(kāi)關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn) 1 臺(tái)變頻器控制 3 臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的切換，以及在變頻器故障時(shí)鼓風(fēng)機(jī)的旁路工頻運(yùn)行。
　　（ 5 ）壓力變送器。選用 CECY 型電容器式變送器，測(cè)定管道的風(fēng)量變化。
　　4.2 軟件框圖
　　變頻軟起 軟件采用梯形圖語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)各種邏輯順序控制，風(fēng)壓閉環(huán)控制等，程序框圖如圖 3 所示。

　　在軟件設(shè)計(jì)中利用 變頻軟起 定時(shí)中斷功能完成數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波， PID 運(yùn)算及控制輸出。

　　5 運(yùn)行結(jié)果
　　變頻調(diào)速裝置安裝投入運(yùn)行后，風(fēng)門(mén)全部打開(kāi)，在壓力為 2200 Pa ，風(fēng)量為 600 m 3 /h ，即可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。此時(shí)測(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速為 1485 r/min 。實(shí)際運(yùn)行工況在以下幾個(gè)方面有了明顯改善： ? 噪聲由 80 dB 降為 40 dB 左右； ? 風(fēng)量（壓力）控制自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，故障率降低； ? 運(yùn)行參數(shù)觀測(cè)直觀，可同時(shí)顯示壓力、頻率、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行參數(shù)； ? 管道閥門(mén)全部打開(kāi)，節(jié)門(mén)損失大大降低。

　　6 節(jié)約電能計(jì)算
　　采用變頻調(diào)速前全年總耗能為 1.511 × 10 5 kW · h ，變頻調(diào)速后全年總耗能為 4.53 × 10 4 kW · h 。采用變頻調(diào)速后全年節(jié)約電能為 10.58 × 10 4 kW · h 。
另外在投運(yùn)變頻調(diào)速裝置后，根據(jù)運(yùn)行工況測(cè)算，可延長(zhǎng)修周期 1 ～ 2 年，每年可節(jié)約大修費(fèi)用約 2 萬(wàn)元。

　　7 結(jié)論
　　實(shí)踐證明，在煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，可以根據(jù)負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，解決了“大馬拉小車(chē)”的問(wèn)題，為降低生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，節(jié)能降耗，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境開(kāi)創(chuàng)了新的途徑。