基于PLC与变频器的风机节能控制系统应用探讨

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50％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1995～2010年15年间，每年平均发电新装机容量已超过1亿kw，每年新增加发电总量约为5000亿度。我国在最近10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2004年新增装机容量为0．5亿kW，新增加发电总量为2818亿度电：2005年新增装机容量为0．65亿kw，相应新增加发电总量达到3665亿度电：到2007年全国新增装机容量已经高达l亿kW。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，智能楼字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80％左右，其中风机、水泵等辅机没备的综合能耗是楼字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。因此，采用PLC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，90％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，为了满足楼字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，来实现对智能楼字建筑空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。

    图1风机电动机不同控制模式工作特性曲线

    图1中，曲线l一3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100％额定风量，也就是说此时风机电动机的轴功率与面积AH10Q2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Q2减少到Q1。(假定为50％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点移动到B点处，风机电动机轴功率与面积BH20Q1成正比。从上述分析可知，从工况点A点移动到B点处，整个风机辅机系统的风量需求减少为额定负荷的50％，而风机电动机的轴功率却没有如何降低(面积BH20Q1与面积AH10Q2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PLC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PLC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，形成输入与输出问平滑调节性能曲线，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口。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l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100％额定转速降低到70％额定转速时，其节能率可以从O％升高到65．7％，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PLC与变频器的变频调速自动控制装置后，可以有效降低智能楼字建筑电能综合消耗，达到节能降耗的目的。从图1可知，采用基于PLC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Q2工况点下，风机电动机的轴功率与面积CH30Q1成正比，它要与面积BH20Q1小很多，即整个风机控制系统节省的功率损耗与面积BH2H3C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

3结论

    利用基于PLC与变频器的变频调速自动控制装置对楼字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150kw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PLC与变频器为核心的变频凋速自动控制装置在智能楼字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。