基于PLC与变频器的风机节能控制系统应用探讨.pdf

l 匐 化 基于P L C 与变频器的风机节能控制系统应用探讨 Di scus si on on t he appl i ca t i on of cont r ol s ys t em of en er gy sa vi n g f an bas ed on PLC and i n v er t er 李剑 L I J i a n 南京化工职业技术学院，南京 2 1 0 0 4 8 摘 要 风机控制系统节能降耗技术升级改造是智能楼宇建筑节能降耗研究的重要内容，也是我国楼宇空 调系统研究的重要课题。文章在分析了离心式风机工作特性曲线后，对基于P L C 与变频器的风 机变频调速自动化在节能工程中应用的可行性、经济性等进行了认真探讨，尤其对变频调速的 风机控制系统的节电效益进行了详细分析研究。 关键字P L C； 变频器 ； 风机控制系统；变频调速 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 1 1 1 I- 一0 1 2 7 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 1 ． 1 1 上 ． 3 7 0 引言 电力能 源工 业作为国家国民经济发展的重要 基础 ，对社会经济发展 以及提高人们生活水平具 有非常重要的意义 。在全世界经济高速发展的环 境下 ，加上国家环境保护压力的不断增加，中国 电力能源工业面临非常大的市场 经济挑 战。由于 受电能生产技 术、资金、以及能 源价格 等多方面 因素 的共 同影 响，我 国在 电力能源资源 的综合利 用效率方面较 国外一些发达 国家还有很大差距 ， 大致 只有发达 国家能源利用效率的5 0 ％左右 。电 力工业能源资源的浪费大多发生在电能生产、传 输、分配调度等环节 ，因此，提高我国电力工业 电能生产能源综合利用效率已成为风机节能 控制 工 作人员研 究的一个重要课题 。据 国际能源 署相 关文献资料表明，全球在 1 9 9 5 ～ 2 0 1 0 年l 5 年 间，每 年 平均发电新装机 容量已超过 1 亿 k W ，每年新增 加发 电总量约为5 0 0 0 亿度。我 国在最近 l 0 年 电力 工业得到 了快速发展 ，据 国家能源局相关统计资 料表 明，我 国2 0 0 4 年 新增装机容量为0 ． 5 亿k W ， 新增加发电总量为2 8 1 8 亿度电；2 0 0 5 年新增装机 容量为0 ． 6 5 亿k W，相应新增加发 电总量达 1| 3 6 6 5 亿度电； 1] 2 0 0 7 年全国新增装机容量已经高达 1 亿 k W。虽然我国发 电装机 总量在不断提高，但是电 力工业建设还是跟不上社 会经济发展步伐，很多 地 区依然出现较 为严重的缺电问题 ，也就是说要 解决我 国 目前 电能短缺 问题 ，一方面除 了要加快 电力工业建设步伐外 ；另一方面还应在 电力节能 降耗方面下功夫 。从 大量文献资料和工程实际经 验可知 ，智能楼宇空调系统 中的风机系统能耗约 占整个楼宇建筑用电系统容量的8 0 ％左右，其 中风 机、水泵等辅机设备 的综合能耗是楼宇建筑能耗 的主要组成部分 ，这 些设备 系统长期处于 “ 大马 拉小车 ”等低效工况 区，造成巨大的电能资源浪 费，从而大大增加了单位 电能生产成本u 。因此， 采用P L C与变频器的节能控制技术对智能楼宇建筑 风机控制 系统进行节 能降耗技术升级改造研 究具 有非常重要的工程实际意义 。 1 离心式风机工作特性曲线分析 智能楼宇建筑中风机控制 系统 绝大 多数是采 用感应 式电动机为整个 系统提供拖动原动力 ，控 制 系统 在运 行 过程 中 的主要任 务就 是根 据 空调 通风区域 的需求传输和调节 系统风流量 ，为空调 房 间营造一个舒适安逸 的工作学 习、起居休 闲环 境 。普通 笼 型感 应式 电动机 由于其 自身 结构 因 素 ，本身就不具备调速功能 ，为 了给机组提供不 同风量，9 0 ％以上普通风机 系统均采用外设调节挡 板或闸 门，通过控 制调节挡板或 闸门的开度大小 来实现风流量调节 ，以满足智能楼宇建筑通风空 调 系统工艺需求 。因此 ，智能楼宇建筑风机 系统 在进行选型设计时 ，为 了满足楼 宇建筑 内部空调 房 间的最大风流量需求，通常按照最大负荷进行 选择 。这样 当系统需求风流量减少时 ，就 只能通 过减小挡板或闸门开度增加 系统 中风流阻力，降 低风机 运行输送压力 ，来实现对智能楼宇建筑空 收稿日期2 0 1 1 -0 8 2 4 作者简介李剑 1 9 7 8一，男，江苏姜堰人，讲师，硕士，研究方向为机电一体化。 第3 3 卷第1 2 期2 0 1 1 1 2 上 [ 1 2 7 1 、I lI5 化 调 系统风系统的静 态调节 。在风机 系统静 态调节 过程 中，由于靠机械调节 ，风机电动机在整个运 行过程中其输出运行功率始终保持在满 负荷运行 工况 中，没有随负荷减小而减少其输 出，从而造 成输 出与输入间长期处于不平衡运 行工况 ，造成 大量电能浪费。由于风机的运行轴 功率 与其实际 运行转速间呈三次方正 比关系，如果采用变频调 速控制方式取代常规挡板或阀门调节模式 ，由控 制系统根 据辅机 系统风量需求，动 态调节风机电 动机转速 ，这样就可 以在满足发 电机风量需求的 同时，消除系统其它附件结构带来 的节流损失， 同时还可 以提高风机电动机综合运行效率 ，使整 个风机 系统安全稳定、节能经济 的高效运行 。风 机电动机不同控制模式工作特性 曲线如图1 所示 。 0 UI 图1风机电动机不同控制模式工作特性曲线 图1 中，曲线1 3 为风机 电动机处于恒速运行 工况条件下 的H Q特性关 系曲线，其 中曲线2 为风 机 系统风 门全开工况 ；曲线3 为风机 电动机处于恒 速运 行工况下 的管阻特性 曲线 。从 图1 可知 ，当 风机 系统的挡板或闸门处于全开位置 时，此时风 机系统运行在工况点A处，此时系统的送风量Q可 以认为1 0 0 ％额定风量，也就是说此时风机电动机 的轴功率与面积AH O Q 成正比关 系；若在某种条 件下 ，风机控制系统需求风量负荷 由Q 减 少到Q 假定为5 0 ％额定风量 ，此时 由于风机 电动机 始终处于恒速运行工况，因此需要采用减小挡板 或 闸门开度将增到系统管道 阻力 ，从而实现 降低 流量的 目的 ，则此时系统管 网风阻特性 曲线将 由 曲线2 演变到曲线3 ，相应风机运行工况点将由A点 移动NB点处 ，风机 电动机轴功率与面积BH 0 Q 成正 比。从上述分析可知，从工况点A点移动到B [ 1 2 8 1 第3 3 卷第1 2 期2 0 1 1 1 2 上 点处 ，整个风机辅机 系统 的风量需求减少为额 定 负荷的5 0 ％，而风机电动机的轴功率却没有如何降 低 面积B H 0 Q 与面积AH。 0 Q 几乎相等 ，也就 是说采用挡板或闸门进行风流量节流调节，是依 靠外加附件增加管网阻力的机械措施实现 风流量 的静态调节 ，这样势必会造成巨大的电能浪费。 从大量工程实践经验来看 ，高层楼宇建筑风机 系 统普遍采用离心式风机 ，大多依靠在进气 口加设 档板或闸 门来完成风流量的调节，这种控制模 式 虽然存在结构 简单 、操作维护方面等优点，但 是 由于在运行过程 中，整个风机 电动机拖拽 系统长 期处于恒速运行工况 ，不仅造成巨大的电能资源 浪费，而且风机 系统长期处于输 入与输 出间不平 衡的低效运行工况 ，必然会造成 风机 系统产生大 量的热 量，巨大的热量会降低风机 系统 的绝缘水 平，降低系统综合运行水平。 2 智能楼宇建筑风机变频调速节电效 益分析 对 于智能楼字建筑风机控制 系统 的机械调节 设备能耗 而言 ，其 中有很大一部分 是由于风机 电 能利 用效 率较 低的调 节工 况所 浪 费掉 。对 于 以 挡板和闸门进行风 门风量调节的风机控制 系统而 言 ，这是一个 固有的不可避免的能 源浪费问题 。 对于这类风机控制系统最好的节能途径就是用 以 P L C 和变频器为核心的变频调速控制系统进行技术 改造 。由于基于P L C与变频器的变频调速控制系统 能够根据系统 实际运行工况 ，根据系统实际风量 需求形成相应的频率调节信号 ，直接作用在风机 电机上 ，形成输入与输 出间平滑调节性能曲线， 即在风量 负荷需求小时采取低转速变频调速运 行 模式，降低风机 电动机的转速 ，通过降低轴功 率 实现整个风机控制 系统节能降耗高效经济调节运 行 J 。从实际应用中，风机流量 、压力以及风机 电 动机转速对轴功率和节 电率的影 响效应大概可 以 归纳如表1 所示。 从表1 可知，当空调 系统风机控制系统处于不 同的转速时 ，其对风机 电动机 的轴功率 以及节 电 率的影响非常之大 。风机控制 系统在 低负荷工况 调节下其节能潜力非常巨大 ，如从1 0 0 ％额定转速 降低 1 1J 7 0 ％额定转 速时 ，其节 能率可 以从0 ％升高 到6 5 ． 7 ％，也就是说对长期运行在低负荷、低转速 工况条件下 的智能楼宇建筑空调系统风机控制子 系统增加基 于P L C与变 频器的变频调 速 自动控 制 务l 訇 化 装置 后，可 以有 效降低智能楼宇建筑 电能综合消 耗 ，达到节能降耗的 目的。从图1 可知 ，采用基于 P L C与变频器 的变频调速 自动控制装置进行风机 控制 系统 改造后 ，可 以有效降低整个风机系统的 流量 ，风机H Q特性工况 曲线也下移到 曲线4 ，即 处于在 同一流量Q 工况点下 ，风机 电动机的轴功 率与面积C H， o o 成正比，它要与面积BH o o 小很 多，即整个风机控制 系统节省 的功率损耗与面积 B H H， C 成正 比，由此带来的节电效果十分明显 。 表1智能楼宇风机转速、流量、压力、轴功率、以及节电 率间特性关系表 转速 ％ 流量 ％ 压力 ％ 轴功率 ％ 节电率 ％ 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 o o 0 9 0 9 0 8 0 7 2． 9 2 7． 1 8 0 8 0 6 0 5 1． 2 4 8． 8 7 0 7 0 4 9 3 4． 4 65． 7 8 o 6 o 3 6 2 1． 6 7 8． 4 5 0 5 0 2 5 1 2． 5 87． 5 3 结论 利 用基 于P L C与变频器 的变频调 速 自动控制 装置对楼宇建筑 中空调系统 的风机控制系统进行 技术 改造后 ，可以有效降低风机 电动机的实际轴 功率大小 ，达到节能降耗的 目的。对于一台容量 为1 5 0 k w的楼字建筑空调系统中压风机控制系统而 言，采用变频调速装置进行技术改造后，大致可以 在1 ． 5 年就能收回成本，也就是说基于P L C与变频器 为核心的变频调速 自动控制装置在智能楼宇建筑空 调系统风机控制系统技术改造 中具有非常大的节能 潜力，是智能楼宇建筑节能降耗，提高其内部空调 系统综合运行技能水平的重要技术措施 。 参考文献 [ 1 ]金涛． 变频空调器的变频原理【 J J ． 考试周刊， 2 0 1 1 ， 1 1 1 5 9 1 6 0 ． 【 2 ]江静， 张雪松． 基于模糊P I D 控制的变频空调电气控制 系统 的设计[ J ] ． 华北科技学院学报， 2 0 1 0 ， 7 0 4 6 4 7 0 ． 【 3 】李伟浪． 变频空调器节能技术研究【 J J ． 中国科技博览， 2 0 1 0 ， 2 9 2 7 7 ． ． 【 4 】刘合松． 变频空调器及其节能[ J j _ 商丘职业技术学院学报， 2 0 0 3 ， 0 6 3 1 3 2 ． 【 5 】高洪利， 贾相华，苏伟． 常用的几种交流调速方式简介[ J 】 _ 电 气 自动化， 2 0 0 5 0 1 2 4 - 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