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【摘 要】风机是生产生活中随处可见的电气设备。大功率风机能耗巨大，加装基于PLC的变频器可实现有效节能。本文主要探讨了PLC结合变频器在风机节能上的应用。
【关键词】风机；PLC；变频器
当前环境下，全球能源消耗日渐增大，各国能源出现日益紧张，因此都在提倡节能减排，倡导节能已经成为世界范围内的一个共同话题。我国的风机、水泵等大功率用电器一般都由高压大容量电机控制，耗电量占到了全国总耗电量的45%，提倡节能技术，降低国家电能的使用将特别有意义。但是针对这些设备的节能方式往往都比较落后，大多是起不到节能的目的，反而增加了无功功率的消耗，大大的耗费了国家的电能。长期使用这样的调速方式增加了电机的负荷与损耗，严重缩短了电机的使用寿命。对高压变频调速技术进行研究，并将它使用在电机调速控制领域，这样既可以满足工艺生产不同环节的需要，也可以大大的节约电能的消耗，优化工艺生产的流程，改善环境，减少生产维护。目前在我国使用的一些高压变频器，由于自身结构的特点，高压变频器中使用的功率器件的耐压等级受到了明显的限制，而且高压变频器调速系统的拓扑结构也是各式各样的，我国在采用不同的拓扑结构来解决高电压大电流带来的技术难题方面，取得了很大的成果。
1、风机变频调整原理
由于风机大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%-50%。而且通常在设计中，用户电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率底下，造成电能的大浪费。根据流体力学知识和风机水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间的关系为：Q1/Q2=N1/N2；H1/H2=（N1/N2）2；P1/P2=（N1/N2）。3式中Q1、H1、P1为转速N1的流量、扬程、功率；Q2、H2、P2为转速N2的流量、扬程、功率。由此可见，当风机在变负荷工作情况下，采用变频器调节电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。
2、方案设计
某纺区设计为2套空调，配置均为37kW送风机1台，15kW水泵2台；后纺区域设计为1套空调，配置为45kW送风机1台，18.5kW水泵2台。为了节能降耗及合理控制温湿度，我们利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温湿度传感器等构成了温差闭环自动调节系统。
2.1设备选型
PLC（可编程序控制器）选用德国SIEMENS公司S7-200产品，带有集成数字量和模拟量I/O及PROF IBUS DP主站/从站接口，带有与过程相关的功能，满足对处理能力和响应时间要求较高的场合，可以连接单独的I/O设备，采用模块化扩展方式，便于组网。为了节约投资，我们只对送风机实行变频控制，考虑棉纺织空调工况条件较差，避免变频器超温保护影响生产，变频器装机容量是取系统最大负荷再增加10%～20%余量作为设计系数。在选择变频器时，高一级规格选用，如30kW风机配置37kW变频器，37kW风机配置45kW变频器，45kW风机配置55kW变频器。我们公司选用美国Rock Well公司生产的变频器。
2.2控制方式
软件设计为两种控制方式，有自动控制方式和手动控制方式。自动控制包括进风风机变频调控、新风调节窗的调节和热源供应口处比例调节阀的控制。具体情况如下：（1）进风风机变频调控。通过对变频风机的调控，控制新风与回风的使用比例达到合理要求，通过控制风量的变化，增加或减少车间内的换气次数，提高或降低车间温湿度。（2）新风调节窗的调节。一次回风调节窗及二次回风调节窗装有电动操作机构均可实现自动控制，根据温湿度传感器反馈的信息，由电脑自动调节叶片在一定范围内的开启或关闭的角度，从而获取所需的温湿度、新风回风比例的效果。（3）热源供应口处安装比例调节阀。在连接端装有三通气动阀门，通过电脑得到的信息可根据温度和湿度的需要打开预热器和再热器，关闭切换冷源或常温水阀门，从而满足车间内温度和湿度的要求。以生产区域温度偏高时的调节为例，假定生产指标设定为30℃，而温度传感器实测为32℃。软件的调整方式如下：关闭进风调节阀，关闭排风调节阀，打开一次回风阀，使回风得到全部降温冷却，调节水泵高速运行，增加冷源喷淋，调控变频进风风机高速度运行，增加风量。待生产区域温度达到30℃时，软件调控各个机构至常态运行的适当位置。手动控制方式包括就地手动控制和远程手动控制。就地手动控制是指在各个空调室内，操作按钮或开关可以实现对风机、水泵、阀门、加热器的就地手动控制。远程手动控制是指在中央控制室内利用鼠标实现对风机、水泵、阀门、加热器的远程手动控制。
3、安装与调试
设备安装完毕后，先将编好的软件写入主机并与PLC联网，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。投入试运行时，人为地减少负荷，观察流量是否因频率的降低而减小，并找到适度的最低频率，使变频器在最低稳定工作点状态下工作。用温湿度计及时检测各点温湿度，以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。
4、节能分析与计算
4.1节能分析
根据异步电动机原理，有公式：n=60f/p（1-s），式中n为转速，f为频率，p为电机磁极对数，s为转差率。利用变频器调节可以改变转速，根据流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载。转速与流量，压力以及轴功率具有如下关系：流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。当转速降为原转速的80%时，功率降为原功率的0.83，即51.2%，可见节能潜力巨大。
4.2节能计算
根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3，式中P0为额定转速n0时的功率，P为转速n时的功率。后纺空调风机电机型号为Y280M-6，额定功率P0为45kW，额定转速n0为980r/min，全年运行时间按340天计算。风机运行情况为：送风机转速800r/min运转120天，送风机转速500r/min运转140天，送风机转速400r/min运转80天。以后纺变频风机为例，由公式P/45=（n/980）3代入数据计算，改造后年耗电量W1为96466kWh。原年耗电量为W2按额定功率的70%计算则为160574kWh。每度电按0.5元计算，采用变频调速每年可节约电费8万余元。自动空调系统一次性投资约10万元（变频器和计算机及软件），投资回收期约15个月，节能效果较明显。
4.3技术改造后的运行效果
由于风机采用了变频器软启停，消除了原来启动时大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善。由于风机电机大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及振动都大大减少，电气故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。由于采用了温差闭环变频调速，提高了自动化水平，减少了人为因素的影响，改善了系统的运行环境和运行质量。
5、结束语
两年来的生产实践证明，变频器用于风机类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产时间，直接和间接经济效益较为明显。根据一年多的运行情况来看，虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看值得实施。进一步验证了利用PLC、变频器、数模转换模块、温度模块、温湿度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对空调系统的节能改造切实可行。
参考文献：
[1]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，2005（01）.
[2]周谷珍，李明.通风机调速节能方式分析与改进[M].工业安全与环保，2009.
[3]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械I：业出版社，2008.
【关键词】风机；PLC；变频器
当前环境下，全球能源消耗日渐增大，各国能源出现日益紧张，因此都在提倡节能减排，倡导节能已经成为世界范围内的一个共同话题。我国的风机、水泵等大功率用电器一般都由高压大容量电机控制，耗电量占到了全国总耗电量的45%，提倡节能技术，降低国家电能的使用将特别有意义。但是针对这些设备的节能方式往往都比较落后，大多是起不到节能的目的，反而增加了无功功率的消耗，大大的耗费了国家的电能。长期使用这样的调速方式增加了电机的负荷与损耗，严重缩短了电机的使用寿命。对高压变频调速技术进行研究，并将它使用在电机调速控制领域，这样既可以满足工艺生产不同环节的需要，也可以大大的节约电能的消耗，优化工艺生产的流程，改善环境，减少生产维护。目前在我国使用的一些高压变频器，由于自身结构的特点，高压变频器中使用的功率器件的耐压等级受到了明显的限制，而且高压变频器调速系统的拓扑结构也是各式各样的，我国在采用不同的拓扑结构来解决高电压大电流带来的技术难题方面，取得了很大的成果。
1、风机变频调整原理
由于风机大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%-50%。而且通常在设计中，用户电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率底下，造成电能的大浪费。根据流体力学知识和风机水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间的关系为：Q1/Q2=N1/N2；H1/H2=（N1/N2）2；P1/P2=（N1/N2）。3式中Q1、H1、P1为转速N1的流量、扬程、功率；Q2、H2、P2为转速N2的流量、扬程、功率。由此可见，当风机在变负荷工作情况下，采用变频器调节电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。
2、方案设计
某纺区设计为2套空调，配置均为37kW送风机1台，15kW水泵2台；后纺区域设计为1套空调，配置为45kW送风机1台，18.5kW水泵2台。为了节能降耗及合理控制温湿度，我们利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温湿度传感器等构成了温差闭环自动调节系统。
2.1设备选型
PLC（可编程序控制器）选用德国SIEMENS公司S7-200产品，带有集成数字量和模拟量I/O及PROF IBUS DP主站/从站接口，带有与过程相关的功能，满足对处理能力和响应时间要求较高的场合，可以连接单独的I/O设备，采用模块化扩展方式，便于组网。为了节约投资，我们只对送风机实行变频控制，考虑棉纺织空调工况条件较差，避免变频器超温保护影响生产，变频器装机容量是取系统最大负荷再增加10%～20%余量作为设计系数。在选择变频器时，高一级规格选用，如30kW风机配置37kW变频器，37kW风机配置45kW变频器，45kW风机配置55kW变频器。我们公司选用美国Rock Well公司生产的变频器。
2.2控制方式
软件设计为两种控制方式，有自动控制方式和手动控制方式。自动控制包括进风风机变频调控、新风调节窗的调节和热源供应口处比例调节阀的控制。具体情况如下：（1）进风风机变频调控。通过对变频风机的调控，控制新风与回风的使用比例达到合理要求，通过控制风量的变化，增加或减少车间内的换气次数，提高或降低车间温湿度。（2）新风调节窗的调节。一次回风调节窗及二次回风调节窗装有电动操作机构均可实现自动控制，根据温湿度传感器反馈的信息，由电脑自动调节叶片在一定范围内的开启或关闭的角度，从而获取所需的温湿度、新风回风比例的效果。（3）热源供应口处安装比例调节阀。在连接端装有三通气动阀门，通过电脑得到的信息可根据温度和湿度的需要打开预热器和再热器，关闭切换冷源或常温水阀门，从而满足车间内温度和湿度的要求。以生产区域温度偏高时的调节为例，假定生产指标设定为30℃，而温度传感器实测为32℃。软件的调整方式如下：关闭进风调节阀，关闭排风调节阀，打开一次回风阀，使回风得到全部降温冷却，调节水泵高速运行，增加冷源喷淋，调控变频进风风机高速度运行，增加风量。待生产区域温度达到30℃时，软件调控各个机构至常态运行的适当位置。手动控制方式包括就地手动控制和远程手动控制。就地手动控制是指在各个空调室内，操作按钮或开关可以实现对风机、水泵、阀门、加热器的就地手动控制。远程手动控制是指在中央控制室内利用鼠标实现对风机、水泵、阀门、加热器的远程手动控制。
3、安装与调试
设备安装完毕后，先将编好的软件写入主机并与PLC联网，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。投入试运行时，人为地减少负荷，观察流量是否因频率的降低而减小，并找到适度的最低频率，使变频器在最低稳定工作点状态下工作。用温湿度计及时检测各点温湿度，以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。
4、节能分析与计算
4.1节能分析
根据异步电动机原理，有公式：n=60f/p（1-s），式中n为转速，f为频率，p为电机磁极对数，s为转差率。利用变频器调节可以改变转速，根据流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载。转速与流量，压力以及轴功率具有如下关系：流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。当转速降为原转速的80%时，功率降为原功率的0.83，即51.2%，可见节能潜力巨大。
4.2节能计算
根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P/P0=（n/n0）3，式中P0为额定转速n0时的功率，P为转速n时的功率。后纺空调风机电机型号为Y280M-6，额定功率P0为45kW，额定转速n0为980r/min，全年运行时间按340天计算。风机运行情况为：送风机转速800r/min运转120天，送风机转速500r/min运转140天，送风机转速400r/min运转80天。以后纺变频风机为例，由公式P/45=（n/980）3代入数据计算，改造后年耗电量W1为96466kWh。原年耗电量为W2按额定功率的70%计算则为160574kWh。每度电按0.5元计算，采用变频调速每年可节约电费8万余元。自动空调系统一次性投资约10万元（变频器和计算机及软件），投资回收期约15个月，节能效果较明显。
4.3技术改造后的运行效果
由于风机采用了变频器软启停，消除了原来启动时大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善。由于风机电机大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及振动都大大减少，电气故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。由于采用了温差闭环变频调速，提高了自动化水平，减少了人为因素的影响，改善了系统的运行环境和运行质量。
5、结束语
两年来的生产实践证明，变频器用于风机类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产时间，直接和间接经济效益较为明显。根据一年多的运行情况来看，虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看值得实施。进一步验证了利用PLC、变频器、数模转换模块、温度模块、温湿度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对空调系统的节能改造切实可行。
参考文献：
[1]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，2005（01）.
[2]周谷珍，李明.通风机调速节能方式分析与改进[M].工业安全与环保，2009.
[3]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械I：业出版社，2008.