1  引言
    隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻調(diào)速已逐漸取代過去的滑差調(diào)速、變極調(diào)速、定子調(diào)速、串極調(diào)速、液力偶和調(diào)速及直流電機(jī)調(diào)速等調(diào)速方式，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平穩(wěn)、無級變速等優(yōu)點(diǎn)。近年來變頻器的應(yīng)用越來越多，尤其在近年電力緊張的情況下，變頻器的節(jié)能效果越發(fā)顯的重要，因此將高壓風(fēng)機(jī)、反吹風(fēng)機(jī)改為變頻器控制，將傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速理論、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起，當(dāng)用風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)改變，使電機(jī)在最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)電的目的。為此，我分廠決定對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻器改造，其控制方式為接觸器全壓啟動(dòng)，風(fēng)壓的調(diào)節(jié)靠人工啟、停單臺(tái)風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，存在能源浪費(fèi)現(xiàn)象。

圖1  風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

2  恒壓供風(fēng)原理
    風(fēng)機(jī)恒壓供風(fēng)智能控制系統(tǒng)是由工控機(jī)、可編程控制器（PLC）、變頻器、壓力傳感器、軟件控制單元、風(fēng)機(jī)切換單元等組成，輔助設(shè)備為空調(diào)裝置。此控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器檢測到的風(fēng)機(jī)出口的壓力值，通過可編程控制器調(diào)節(jié)計(jì)算來控制變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)電機(jī)的工作狀態(tài)，在精確地控制風(fēng)機(jī)出口壓力的同時(shí)，延長風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的使用壽命，并大幅度地節(jié)約電能。
    風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際設(shè)定風(fēng)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，使供風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)風(fēng)、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供風(fēng)；減風(fēng)機(jī)時(shí)采用“先啟先?！钡那袚Q方式，相對于“先啟后停”方式，更能確保各風(fēng)機(jī)使用平均，以延長設(shè)備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統(tǒng)用風(fēng)量任何變化均能使供風(fēng)管網(wǎng)的服務(wù)壓力保持給定壓力，大大提高了供風(fēng)品質(zhì)；任何一臺(tái)風(fēng)機(jī)可以切換在工頻電源下運(yùn)行，變頻器出現(xiàn)故障后仍能保障不間斷供風(fēng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障消除后自啟動(dòng)。
    用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法同樣可以調(diào)整供氣量，由于風(fēng)機(jī)基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供風(fēng)量能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供風(fēng)量）成正比關(guān)系，達(dá)到很好的節(jié)電效果。兩種調(diào)節(jié)方法用電情況如圖2所示。變頻控制采用具有矢量控制功能的ABB變頻器，可使電機(jī)在低速時(shí)也能提供滿足負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，ABB變頻器的自動(dòng)節(jié)能模式，可使電機(jī)在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求下以最小電流運(yùn)行，達(dá)到更好的節(jié)電效果。 采用恒壓供風(fēng)變頻控制系統(tǒng)所帶來的效果如圖2所示。

圖2  采用變頻調(diào)速控制與否的排氣壓力比較

3  變頻器調(diào)速的特點(diǎn)及節(jié)能分析
3.1 變頻器調(diào)速的特點(diǎn)
    怎樣能根據(jù)工況而直接控制風(fēng)量的大小而滿足工況的要求呢？變頻器的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)問題。變頻器是無級調(diào)速的，用變頻器改造風(fēng)機(jī)，具有以下特點(diǎn)： 
    （1） 動(dòng)停止平衡，實(shí)現(xiàn)平滑地?zé)o級調(diào)速，精度高，調(diào)速范圍寬（0～100%），頻率變化范圍大（0～50Hz）。轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)差損失小，效率可高達(dá)90～95%以上,提高電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。
    （2） 動(dòng)轉(zhuǎn)矩大(可達(dá)額定值的1.1倍),實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)減輕啟動(dòng)電流的沖擊。
    （3） 變頻器可采用高速度的16位CPU與專用的大規(guī)模集成電路配合，用軟件實(shí)現(xiàn)V/5自動(dòng)調(diào)整，具有與計(jì)算機(jī)可編程控制器聯(lián)機(jī)控制的功能，容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。
    （4） 工作可靠,能長期穩(wěn)定運(yùn)行。
    （5） 安裝容易，調(diào)試方便，操作簡便，維護(hù)量小。 
    （6） 輸出特性可滿足風(fēng)機(jī)性能要求。
    （7） 節(jié)能效果顯著。
3.2 節(jié)能分析
    從流體力學(xué)原理知道，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率有如下關(guān)系：
    Q1/Q2=n1/n2
    H1/H2=(n1/n2)2
    P1/P2=(n1/n2)3
    其中:Q—風(fēng)量；
    H — 風(fēng)壓；
    P — 電機(jī)軸功率；

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    n — 電機(jī)轉(zhuǎn)速。
    當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，風(fēng)量減少。電機(jī)功率成立方比下降。當(dāng)需要小風(fēng)量時(shí)，用變頻控制裝置降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其電動(dòng)機(jī)的輸入功率也相應(yīng)的減少。如風(fēng)量減少到80%，轉(zhuǎn)速（n）也下降到80%，其軸功率則下降到額定功率的51.2%；若風(fēng)量下降到50%，軸功率將下降到額定功率的12.5%，當(dāng)然，轉(zhuǎn)速降低時(shí)，效率也會(huì)有所降低，同時(shí)還應(yīng)考慮控制裝置的附加損耗等影響。其節(jié)能潛力非常大，因此對風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍較大的風(fēng)機(jī)，采用變頻調(diào)速節(jié)能控制裝置來代替風(fēng)門調(diào)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有較途經(jīng)。
    驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，大多數(shù)為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，也有的是三相交流同步電機(jī)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率f成正比，改變電機(jī)定子的供電頻率就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速節(jié)能控制裝置就是把電網(wǎng)的50Hz的工頻交流電，變成頻率可調(diào)，電壓可調(diào)的交流電源去驅(qū)動(dòng)電機(jī)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量的。 
    變頻調(diào)速節(jié)能控制裝置的特點(diǎn)是效率高，沒有因調(diào)速帶來的附加轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速范圍大，精度高可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和閉環(huán)控制。由于可以利用原鼠籠式電動(dòng)機(jī)，所以特別適合對舊設(shè)備的技術(shù)改造，它既保持了原電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠耐用，維修方便的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果，是風(fēng)機(jī)交流調(diào)速節(jié)能的理想方法。

4  變頻器控制方式的選擇與選型
4.1 控制方式
    東部4臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)、西部4臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)、東西部大罐下4臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)采用變頻器“一拖二”的控制模式，任何一臺(tái)風(fēng)機(jī)可以切換在工頻電源下運(yùn)行。拖動(dòng)方式為：使用一臺(tái)變頻器逐臺(tái)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，即用變頻器啟動(dòng)第一臺(tái)風(fēng)機(jī)，若至工頻后仍然達(dá)不到所需風(fēng)壓時(shí)，該風(fēng)機(jī)切換為旁路工頻運(yùn)行，再通過變頻器啟動(dòng)第二臺(tái)風(fēng)機(jī)并進(jìn)行調(diào)頻運(yùn)行。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)旁路至單臺(tái)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，以保證風(fēng)源不中斷。
    東、西部反吹風(fēng)機(jī)采用變頻器一拖三的控制模式。兩臺(tái)變頻器一用一備;由單臺(tái)變頻器對三臺(tái)反吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行分級控制:即用變頻器啟動(dòng)第一臺(tái)風(fēng)機(jī)至工頻,若達(dá)不到所需風(fēng)壓時(shí),切換為旁路工頻運(yùn)行，再通過變頻器啟動(dòng)第二臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)頻運(yùn)行,并保持風(fēng)壓恒定。運(yùn)行變頻器出現(xiàn)故障，自動(dòng)切換至備用變頻器。調(diào)速的目的是保持出口壓力恒定，閉環(huán)控制響應(yīng)靈敏，節(jié)能效果明顯。
    系統(tǒng)為恒壓供風(fēng)系統(tǒng)，壓力傳感器與控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制：壓力傳感器量程范圍可參考風(fēng)機(jī)全壓參數(shù)。高壓風(fēng)機(jī)全壓為12.01KPa，反吹風(fēng)機(jī)全壓為2.52KPa。風(fēng)機(jī)房高壓風(fēng)機(jī)傳感器量程范圍選擇0～25KPa;大罐下高壓風(fēng)機(jī)傳感器量程范圍選擇0～15KPa；反吹風(fēng)機(jī)為兩用一備，傳感器量程范圍選擇0～6KPa。
4.2 變頻器選型
    選用安川公司風(fēng)機(jī)、泵類最新系列產(chǎn)品，帶通訊功能；高壓風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為37kW，額定電流70A;反吹風(fēng)機(jī)功率為30kW，額定電流 57A。由于變頻器傳給電動(dòng)機(jī)的是脈沖電流，其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大，因此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔?。通常?yīng)令變頻器的額定輸出電流≥（1.05～1.1）電動(dòng)機(jī)的額定電流（銘牌值）或電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流。
    Ion≥(1.05～1.1)In或 ≥(1.05～1.1)Imax （1）
    式中：Ion—變頻器額定輸出電流(A);
    In—電動(dòng)機(jī)額定電流(A);
    Imax—電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流(A)。
    根據(jù)公式(1)可得出高壓、反吹風(fēng)機(jī)選用的變頻器的額定輸出電流分別為:73.5～77A，59.85～62.7A范圍內(nèi)。因此，查閱安川變頻器技術(shù)參數(shù)的相關(guān)資料，高壓、反吹風(fēng)機(jī)分別選用用風(fēng)機(jī)、泵類55kW、45kW變頻器。
4.3 控制方式及監(jiān)控
    風(fēng)機(jī)的啟?？刂品绞讲捎脙傻乜刂?，即現(xiàn)場控制和主控室控制,在現(xiàn)場安裝控制柜，變頻器、PLC安裝在現(xiàn)場，控制柜共需要8臺(tái)。工控機(jī)（2臺(tái)）安裝在東西部凈化主控室，利用組態(tài)軟件和Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控各風(fēng)機(jī)工作狀況。PLC對變頻器、風(fēng)機(jī)啟停切換、故障處理等進(jìn)行控制，工控機(jī)對設(shè)備狀態(tài)，電機(jī)電流、頻率、風(fēng)壓等工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控及歷史曲線紀(jì)錄。

5  經(jīng)濟(jì)效益分析
    （1）12臺(tái)高壓風(fēng)機(jī),用6臺(tái)其它備用,改造前每月用電約為:
    37kW×6×24小時(shí)/天×31天/月=165168kW?h
    （2）東、西部6臺(tái)反吹風(fēng)機(jī),運(yùn)行4臺(tái),2臺(tái)備用,改造前每月用電為:
    30kW×4×24小時(shí)/天×31天/月=89280kW?h
    （3）風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可達(dá)到20%～30%，月均值在25%；電費(fèi)價(jià)格為0.5元/kW?h則: 
    12臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)、6臺(tái)反吹風(fēng)機(jī)每月節(jié)電電費(fèi)：
    （165168＋89280）kW?h×25%×0.5元/kW?h=31806元
    18臺(tái)風(fēng)機(jī)每年可節(jié)約電費(fèi)：31806×12=381672元
    投資回報(bào)期=投資總額/每月節(jié)約金額=1200000/381672≈3年
    12臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)、6臺(tái)反吹風(fēng)機(jī)變頻器改造費(fèi)用為：120萬元，節(jié)電改造投資在3年內(nèi)收回全部收回。
    （4）推廣風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可達(dá)到20%～30%的節(jié)電率不但，該項(xiàng)目投資后提高了控制水平、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。調(diào)速的目的是保持出口壓力恒定，閉環(huán)控制響應(yīng)靈敏，節(jié)能效果明顯。

6  結(jié)束語
    變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能的最佳方案，風(fēng)機(jī)的軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方函數(shù)關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，其消耗功率會(huì)大幅下降，變頻調(diào)速器效率因數(shù)高，ηvvvF≈95%～98%，而且近似不變。所以在諸多調(diào)速方案中變頻調(diào)速節(jié)能效益最佳，理應(yīng)為首選方案。風(fēng)機(jī)該用變頻器、PLC控制后不但提高了控制水平，而且具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。