變頻調(diào)速裝置(變頻串聯(lián)諧振測(cè)試儀)在煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用
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” 的問(wèn)題,應(yīng)用變頻調(diào)速裝置和PLC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” 的問(wèn)題,達(dá)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(fēng)系統(tǒng)
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”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PLC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 ~ 10735m3/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。
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 m3/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 m3/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 m3/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1為風(fēng)機(jī)在恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門時(shí)的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性,曲線2為恒速下調(diào)節(jié)風(fēng)門時(shí)的功率-風(fēng)量(P-Q)特性,曲線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Q1100%。此時(shí),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(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2(例如50%風(fēng)量)時(shí),如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法調(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3變到曲線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Q1減小到Q2,但風(fēng)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(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n1調(diào)整到某一轉(zhuǎn)速n2時(shí),理論上風(fēng)量、風(fēng)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(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n1降到n2,根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律,在轉(zhuǎn)速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量特性如曲線5所示。 可見(jiàn),在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下,風(fēng)壓H3大幅度降低,功率P3(相當(dāng)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(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)PLC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
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PLC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
PLC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PLC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)門全部打開(kāi),在壓力為2200 Pa,風(fēng)量為600 m3/h,即可滿足生產(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);?管道閥門全部打開(kāi),節(jié)門損失大大降低。
6 節(jié)約電能計(jì)算
采用變頻調(diào)速前全年總耗能為1.511×105kW·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(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”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。