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0 引言
        交流變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法中最理想的方案，采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)機(jī)械進(jìn)行調(diào)速以至調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量的方法，對(duì)節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。過(guò)去由于價(jià)格、質(zhì)量、容量等因素的約束,使得變頻器沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的價(jià)格已大幅下降，可靠性得到進(jìn)一步提高，容量不斷增大（已達(dá)到400 kW），從而使變頻器的應(yīng)用日益廣泛。如今，國(guó)內(nèi)已將矢量控制的變頻器廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶煉、紡織、印染、造紙、軋鋼、化工等行業(yè)中，通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速 ，取得了明顯的節(jié)能效果。
        目前，中鋁青海分公司第三電解廠是年產(chǎn)14 萬(wàn)噸鋁錠的大型電解分廠，共有268 臺(tái)電解槽，分5.5 萬(wàn)噸和8.5 萬(wàn)噸兩期建設(shè)而成，配套建設(shè)的凈化系統(tǒng)分為東、中、西部三個(gè)，每套系統(tǒng)由兩臺(tái)氣提風(fēng)機(jī)（75 kW）、三臺(tái)羅茨（流態(tài)化）風(fēng)機(jī)（75kW）、兩臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)及排煙機(jī)等組成。其中氣提風(fēng)機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)，主要用于超濃相供料，在正常生產(chǎn)工藝過(guò)程中，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)。
1風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能原理
        風(fēng)機(jī)是傳送氣體的裝置。采用變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法和一般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)閥控制風(fēng)量的方法比較，具有明顯的節(jié)電效果。

圖1 風(fēng)機(jī)節(jié)電原理圖

        如圖1 所示，曲線（1）為風(fēng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速n1 下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性，曲線（2）為管網(wǎng)風(fēng)阻特性（風(fēng)門(mén)全開(kāi)）。假設(shè)風(fēng)機(jī)工作在A 點(diǎn)效率最高，此時(shí)風(fēng)壓為H2，風(fēng)量為Q1，軸功率P1 與Q1、H2 的乘積成正1OQ2AH積面用可中1 圖，在比表示。如果生產(chǎn)工藝要求風(fēng)量從Q1 減至Q2，這時(shí)用調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的方法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線（3），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。從圖1 中可以看出，風(fēng)量雖然減小，風(fēng)壓反而增加，軸功率P2 與面積BH1OQ2 成正比，顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調(diào)速控制方式，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，畫(huà)出在轉(zhuǎn)速n2 時(shí)的風(fēng)量（Q-H）特性，如曲線所示。可見(jiàn)在滿足同樣風(fēng)量Q2）4（的情況下，風(fēng)壓H3 大幅度降低，功率P3 隨著顯著減少，用面積CH3OQ2 表示。節(jié)省的功率駐P=（H1-H3） ×Q2，用面積BH1H3C 表示。顯然，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效果是十分明顯的。
        由此可見(jiàn)，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率P 與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)風(fēng)量下降到80% 時(shí)，轉(zhuǎn)速也下降到80%，而軸功率P 將下降到額定功率的51.2% 。如果風(fēng)量下降到60%，軸功率P 可下降到額定功率的21.6%，當(dāng)然還需要考慮由于轉(zhuǎn)速降低會(huì)引起的效率降低及附加控制裝置的效率影響等。即使這樣，這個(gè)節(jié)能數(shù)字也是很可觀的，因此在裝有風(fēng)機(jī)的機(jī)械中，采用轉(zhuǎn)速控制方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量是節(jié)能的有效方法。
2 過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)
    氣提風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速采用恒壓控制原理，其控制框圖如圖2 所示。當(dāng)壓力傳感器P 將檢測(cè)到的管道壓力變換為電信號(hào)，經(jīng)模擬量輸入模塊輸入到PLC，PLC 根據(jù)給定的風(fēng)壓設(shè)定值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的供電電壓和頻率，即改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)風(fēng)量。當(dāng)需要風(fēng)量較小時(shí)，M1 電機(jī)投入變頻運(yùn)行，隨著所需風(fēng)量的增大，通過(guò)PLC 控制變頻器頻率不斷增大以提高風(fēng)量，當(dāng)頻率達(dá)到50Hz 仍不能滿足系統(tǒng)的風(fēng)量要求時(shí)，M1 自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)M2 投入變頻運(yùn)行，頻率不斷上升，直到滿足管道所需風(fēng)量。根據(jù)設(shè)計(jì)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)完全可滿足系統(tǒng)的風(fēng)量要求。當(dāng)所需風(fēng)量逐漸減小時(shí)，控制原理與風(fēng)量增大時(shí)相反，M2 逐漸減速，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到下限設(shè)定值而管道風(fēng)壓仍高于設(shè)定值時(shí)，則M退出運(yùn)行, 同時(shí)M1由工頻運(yùn)行自動(dòng)切換到變頻運(yùn)行，直到頻率降低到零停機(jī)。

圖2氣提風(fēng)機(jī)變頻恒壓控制原理框圖

        為了保證供風(fēng)的不間斷，系統(tǒng)設(shè)置了由PLC 控制的工頻、變頻自動(dòng)切換電路如圖3 所示，其PLC 控制如圖4 所示。這樣可以保證變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，供風(fēng)系統(tǒng)不間斷。其主回路中，KM1 用于將電源接至變頻器的輸入端，KM2 用于將變頻器的輸出端接至電動(dòng)機(jī)，KM3 用于將工頻電源直接接至電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樵诠ゎl運(yùn)行時(shí)，變頻器不能通過(guò)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載進(jìn)行保護(hù)，所以接入了熱繼電器KR，作為工頻運(yùn)行時(shí)的過(guò)載保護(hù)。

圖3 PLC 控制的工頻、變頻切換電路

圖4 切換控制的梯形圖

        控制回路中，SA1 用于控制PLC 的運(yùn)行，SA2 為工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的切換開(kāi)關(guān)。
       工頻運(yùn)行時(shí)，首先將選擇開(kāi)關(guān)SA2 旋至“工頻 ”運(yùn)行位，使輸入繼電器X0 動(dòng)作，為工頻運(yùn)行做好準(zhǔn)備。按起動(dòng)按鈕SF1，輸入繼電器X2 動(dòng)作，使輸出繼電器Y2 動(dòng)作并保持，從而接觸器KM3 動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)在工頻電壓下起動(dòng)并運(yùn)行。按停止按鈕ST1,輸入繼電器X3 動(dòng)作 ，“復(fù)位”從而接觸器使輸出繼電器Y2 ，KM3 失電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。如果電動(dòng)機(jī)過(guò)載，熱繼電器觸點(diǎn)KR 閉合，輸入繼電器X7 動(dòng)作，輸出繼電器Y2 與接觸器KM3 相繼復(fù)位，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。
        變頻運(yùn)行可分為兩步，即變頻通電段和變頻運(yùn)行段。
        變頻通電段 首先將選擇開(kāi)關(guān)SA2 旋至“變頻 ”運(yùn)行位，使輸入繼電器X1 動(dòng)作，為變頻運(yùn)行做好準(zhǔn)備。按起動(dòng)按鈕SF1,輸入繼電器X2 動(dòng)作，使輸出繼電器Y1 動(dòng)作并保持。一方面使接觸器KM2 動(dòng)作，將電動(dòng)機(jī)接至變頻器輸出端。另一方面，又使輸出繼電器Y0 動(dòng)作，從而接觸器KM1 動(dòng)作，使變頻器接通電源。
按停止按鈕ST1，輸入繼電器X33Y，在作動(dòng)1Y器電繼出輸使，下提前的位復(fù)經(jīng)已或未動(dòng)作“復(fù)位”，接觸器KM2 復(fù)位，切斷電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的聯(lián)系。同
時(shí)，輸入繼電器Y0 與接觸器KM1 相繼復(fù)位，切斷變頻器的電源。
        變頻運(yùn)行段 按SF2，輸入繼電器X40Y，在作動(dòng)3Y器電繼出輸，下提前的作動(dòng)經(jīng)已動(dòng)作并保持，繼電器KA 動(dòng)作，變頻器的FWD 接通，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始加速并運(yùn)行，進(jìn)入變頻運(yùn)行階段。同時(shí)，Y3 的常閉觸點(diǎn)使“停止按鈕”ST1 暫時(shí)不起作用，防止在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)下直接切斷變頻器的電源。按ST2，輸入繼電
器X5 動(dòng)作，輸出繼電器Y3 復(fù)位，繼電器KA 失電，變頻器的FWD 斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始降速并停止。如果變頻器因故障跳閘，變頻器的“30B-30A”閉合，則PLC 的輸入繼電器X103Y和1Y使面方，一作動(dòng)，接觸器KM2 和KM1，繼電0Y器電繼出輸使而從，位復(fù)器KA 也相繼復(fù)位，變頻器停止工作。另一方面，輸出繼電器Y4 和Y5 動(dòng)作并保持，蜂鳴器HA 和指示燈HL 工1Y時(shí)，在同。警報(bào)光聲行進(jìn)，作
已經(jīng)復(fù)位的情況下，時(shí)間繼電器T1 開(kāi)始計(jì)時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)延時(shí)斷開(kāi)，使輸出繼電器Y2 動(dòng)作并保持，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。
 3采用變頻控制的經(jīng)濟(jì)效益分析
        通過(guò)風(fēng)機(jī)的變頻技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，提高了設(shè)備的安全運(yùn)行和自動(dòng)化水平，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了條件。下面就東、中部系統(tǒng)羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造前后的效益進(jìn)行分析。
東、中部風(fēng)機(jī)電機(jī)總?cè)萘繛?5 kW×4 =300 kW
        1）未采用變頻控制時(shí)，風(fēng)機(jī)在正常生產(chǎn)條件下每天工作24h ，電費(fèi)為0.29 元/kW·h，每年按365 天計(jì)算，則一年所耗電費(fèi)為365×24×300×0.29＝76.2 萬(wàn)元。
        2)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)風(fēng)量下降到80% 時(shí)，轉(zhuǎn)速也下降到80%，而軸功率P 將下降到額定功率的80%×80%×80%＝51.2% ，如果風(fēng)量下降到60%，軸功率P 可下降到額定功率的60%×60% ×60%＝ 21.6% 。若風(fēng)機(jī)按80%額定轉(zhuǎn)速計(jì)算，則軸功率為原風(fēng)機(jī)電機(jī)功率的51.2％，在正常生產(chǎn)條件下每天工作24h，按變頻調(diào)速每天18h，則一年所耗電費(fèi)為（365 ×18 ×300 ×51.2% ×0.29）＋（365 ×6 ×300 ×0.29)=29.27＋19.05＝48.32 萬(wàn)元綜合1）與2），則東、中部風(fēng)機(jī)年節(jié)約電費(fèi)為76.2－48.32＝27.88 萬(wàn)元。
4 結(jié)語(yǔ)
        節(jié)能降耗是企業(yè)降低生產(chǎn)成本的重要手段，是企業(yè)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效措施。在“十一五”期間國(guó)家提出建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，大力提倡節(jié)能降耗的形勢(shì)下，作為企業(yè)應(yīng)千方百計(jì)地開(kāi)展節(jié)能降耗的工作。該廠凈化風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅提高了設(shè)備自動(dòng)化水平，而且節(jié)能效果非常顯著，它為變頻調(diào)速技術(shù)在凈化風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介：

    滿朝元，男，畢業(yè)于西北師范大學(xué),計(jì)算機(jī)信息管理工程師，現(xiàn)從事電解設(shè)備管理工作。