变频调速技术在电厂风机系统中的应用研究

张德梅 索涛

摘要：针对目前电厂风机运行效率低和系统耗能大的问题，本文分析了变频调速用于风机系统的节能原理。提出了一套风机变频调速控制系统方案，采用性能可靠的PLC、变频器、压力流量传感器构成变频调速系统。根据电厂风机实际工作状态，设计了控制系统软件。结合实例，对风机变频调速的效益进行分析，结果表明，采用变频调速技术控制风机，节能效果明显，能延长设备使用寿命，具有良好的社会经济效益。

关键词：风机；PLC；变频器；变频调速；节能

中图分类号：TM621文献标识码：A

火力发电厂中运行的风机种类和数量多，总装机容量大，耗电量大。约占全国火电发电量的6％左右[1]。许多电厂的风机处于开环、恒速、24 h 连续运转状态。 由于这些设备一般都是根据生产中可能出现的最大负荷条件来选择的，而实际运行往比设计值要小得多。目前我国火电厂风机少量采用液力耦合器调速外，其它基本上采用定速驱动，其流量通常只能通过调节挡板来控制， 存在严重的节流损耗。 尤其在机组变负荷运行时，由于风机的运行偏离高效点，使运行效率降低。

变频调速是电动机调速方式中最理想的方案。 以前受价格、可靠性及容量等因素的影响，在我国一直未得到广泛应用。近年来，随着电力、电子器件和控制技术的迅速发展，变频器价格不断下降，可靠性不断增加，采用频器对电动机进行调速运行，耗能量将会显著减少[2-3]，可产生巨大的节能效益。若电厂的风机系统采用变频技术，使风机能根据系统需要的风量运行，就能提高效率、减少能耗。因此研究变频调速技术在电厂风机系统中的应用具有十分重要的意义。

1变频调速原理及风机节能分析

1.1 变频调速的基本原理

目前电厂所用的风机大都是由交流异步电机驱动的，由电动机的拖动原理，可知交流异步电机的转速表达式为:

(1)

式中: f1 为定子电源频率；p为异步电机的磁极对数；s为电动机的转差率。

由式(1)可知，对l台特定的电机，其磁极对数P是一定的，因此，改变电源频率，即可改变电动机的同步转速。异步电动机在带负载运行过程中随着负载的变化，滑差s变化不大，可以近似地认为转速与定子供电频率成线性关系[4]。若均匀地改变定子供电频率，则可以平滑地改变电机的转速，从而改风机的输出风量。

1.2 风机变频调速的节能分析

由流体机械相关理论可知，当风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系[5]：

，，(2)

式中： 、 通风机调节前后的转速，r/min；

P1、P 2—通风机转速调节前后的风压，Pa ；

N1、N 2—通风机转速调节前后的功率，W。

由式(1)可知，可以看出风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果通风机的转速降低为原来的50%，则风量也变为原来的50%，功率降低为原来的12.5%，这说明通过改变通风机的转速的方式，可以改变通风机的功率输入，可以节省大量的电能。

2变频调速在风机控制上的应用

以神火集团电力公司发电二厂的两台风机为例，介绍变频调速技术在风机控制上的应用。目前该电厂的风机多为定流量系统， 仅采用节流调节方式调节，存在耗电能多、噪音大，且供风调节性能不良等问题，因此电厂决定对此风机系统进行变频改造。由原来的节流调节改造为基于PLC控制的变频恒压运行调节方式。风机的具体参数如表1所示。

表1 风机性能参数

参数

名称 容量

（kw） 电压

（V） 额定电流（A）

1号风机 160 380 285

2号风机 90 380 166

2.1 控制系统总体方案

风机变频调速控制系统方案如图1所示。控制系统有PLC、变频器、触摸屏、和流量、压力传感器、报警装置组成。控制器采用欧姆龙公司的CP1H系列PLC。根据风机的功率选用欧姆龙3G3RV系列变频器，型号为：3G3RV-B416K和3G3RV- B4900。3G3RV系列变频器是欧姆龙公司生产的高功能型通用变频器，涵盖了风机泵类专用功能、闭环矢量控制功能。控制精度高，功率范围广、内置PID控制器和RS485通信接口，广泛应用于恒压供水、空调、风机等自动化控制领域。

图1 PLC变频控制方案

控制系统的调速过程如下：风机变频运行时，利用PLC实现数据采集、过程控制和变频调节风机的转速。系统压力流量等过程参数送至PLC内进A/D转换。当实际压力低于设定压力时，根据偏差进行数据处理，通过D/A转换后发出指令，使变频器输出频率升高，增加风机转速；反之则逆运行，使压力在设定范围时保持稳定。

通过触摸屏可以设置系统工作压力、流量等参数。报警装置采用声光报警方式，当系统压力低于设定的最低极限值时（系统某处发生故障），发出声光报警，以便让工作人员采取措施。设计的控制系统同时实现对风机系统运行的欠压、过流、缺相、过载、短路、失速等保护功能。

2.2 控制方案实施

设计一个控制柜，控制柜里安装PLC、变频器等控制设备。PLC模拟量输出端子接变频器输入端子。在风机系统里安装压力、流量传感器，并将信号线连接PLC模拟量输入端子。将380V电力电缆先接至变频器，然后通过变频器接至风机。

为充分保证系统的可靠性，变频器同时加装了工频旁路装置，变频器异常时退出运行，电动机可以直接手动切换到工频运行。检测到系统故障时，变频控制柜的控制回路可以实现40s内从变频控制方式自动切换到工频控制方式。变频器故障信号发送给操作台。同时，发出声光报警。

3 控制系统软件设计

可编程控制器（PLC）程序设计包括程序流程设计和用户程序编写两大部分。由于可编程控制器采用循环扫描的工作方式运行程序，本文采用了顺序结构的逐步控制方式设计程序流程，程序流程图如图2所示。

程序首先进行初始化，接受输入设定值，接着进行故障检测，综合来自控制系统外围的故障信息和内部系统程序故障信息。若有故障，系统根据故障类型报警。若系统正常，则等待启动信号。当有启动信号时，PLC通过参数设置将变频器驱动信号设置为外部驱动，使风机运转。PLC同时读取系统的压力信号，实时显示，并与设定的压力值比较，确定是风机加速运行还是减速运行。

结合程序流程图，采用欧姆龙公司开发的梯形图编程支持软件CX-Programmer进行程序的编制。程序在PC上调试成功后，通过通讯数据线下载到PLC里，控制系统便可以运行。

图2 程序流程图

4 风机变频调速的效益分析

风机系统采用PLC与变频器相结合的变频调速技术，由变频器实现无级平滑调速，动态响应快，大大提高了系统的自动化程度，其风量调节性能也得到很大提高。

实行变频调速后，风机的输出功率自动跟随负载的变化而变化，大大降低电能的浪费。通过一段时间的运行测试，2号风机的工频电流由原来的平均125 A 下降到现在的平均80A，节能效果相当显著，根据电度表测定，节能效率在30%左右。

在变频改造以前，根据统计情况，锅炉1号风机的运行工频电流在220-260 A，目前在锅炉相同运行情况下，1号风机的工频电流在90～170 A，平均降低电流达到115 A 左右，根据计算，平均每天节电85 kW•h，工业用电按0.7元/ kW•h计算，每年按360天计算，则每年可节约电费为： 元，经济效益相当显著。变频调速设备改造费用5.5万元，2.5年就可收回成本。

变频改造前，风机每次启动都会对电机、电缆、接触器产生很大的冲击，在较大惯性负载的情况下，会产生几倍于额定值的启动电流(6—7倍)，所产生的电流冲击和机械冲击，会对设备造成不利的影响。使用变频装置以后，启动时电流从零开始，随着转速增加而上升，实现了电机的软启动，对电机和电网的冲击大幅度下降，可以延长风机设备的使用寿命，降低设备的维修费用。

5 结语

基于PLC的变频调速技术应用于电厂风机，风机可以按照系统的需要进行风量的及时调节，提高了设备运行效率，又降低了电能消耗、设备维修费用。同时，该控制系统具有完善的报警和保护功能，大大提高了电厂风机的自动化安全运行水平。泵与风机具有相似的运行特性，该控制系统稍加改进便可用于泵的调速。基于PLC的变频调速技术在电厂中具有较好的应用前景。

参考文献

[1] 白愷. 火力发电厂中压变频调速技术应用调查 [J]. 电力设备，2008，25(5):106-108.

[2] 张选正．中高压变频器应用技术[M]．北京，电子工业出版社， 2007：30-40.

[3] 杜均新．高压变频器在煤矿主通风机上的应用[J]．煤矿机械，2008，29(4)：157-160.

[4] 李明，黄丕维，朱光明．火电厂泵与风机变频改造技术及应用[J]．华电技术，2008，30(8)：55-57.

[5] 卢正伟．变频调速在电厂给供水应用探讨 [J]．自动化技术与应用，2006，25(10)：79-80.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。