變頻技術(shù)在風機、水泵節(jié)能改造中的應用研究

當前變頻技術(shù)正處于不斷完善與發(fā)展的過程中，調(diào)速性能亦在不斷完善之中，同時其交流調(diào)速功能也在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本文首先簡單地介紹了變頻技術(shù)的概況，然后分析了變頻器在風機控制系統(tǒng)中的應用，通過對變頻原理的闡述，體現(xiàn)出變頻技術(shù)在風機、水泵節(jié)能改造中的主要優(yōu)勢，并研究了在風機、水泵節(jié)能改造中變頻技術(shù)的一些應用。

據(jù)相關(guān)研究表明，在我國整體電機裝機量組成成分中，風機與水泵配套電機系統(tǒng)占據(jù)其中的60%左右，所耗費的電能約占據(jù)我國總發(fā)電量的30%。當前很大一部分電廠依然選用傳統(tǒng)擋風板及相關(guān)閥門的自主控制方式來調(diào)節(jié)風機的風力、液體流量，控制其壓力，本質(zhì)上主要是采取人為干涉附加阻力的方式，以高成本、高能量消耗的工作方式作為生產(chǎn)運作的前提。此種傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)技術(shù)不僅是浪費電能的表現(xiàn)，同時由于其整合準確度較低，調(diào)度精度有限，不能較好地迎合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)運作的需求。因此，為了走可持續(xù)、科學發(fā)展的道路，做到能源的最優(yōu)配置，需對風機、水泵系統(tǒng)實施變頻節(jié)能改造。

1 變頻技術(shù)概述

變頻技術(shù)屬于電子技術(shù)中的一種。變頻器主要是基于變頻技術(shù)而衍生的電氣設(shè)備，用于調(diào)控電源頻率，通常應用在較大一部分以電機帶動為主要驅(qū)動力的場合中。它具備高精度的速度控制優(yōu)勢，能夠準確、快速地對機械設(shè)備傳動升降進行控制，同時調(diào)節(jié)其變速運行。變頻器不會受到電機復雜系統(tǒng)及工作條件的限制，能夠維持較長時間在高負荷的工況中運行。變頻器主要由鍵盤、電源板、控制主板、整流橋、電解電容、充電電阻、繼電器等部件構(gòu)成。其低頻力矩較大，輸出比較平穩(wěn)，能夠進行高性能的矢量控制，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應速度較快，穩(wěn)速精度高，減速停車響應速度較快，同時具備較強的抗干擾能力。將變頻技術(shù)應用于電機改造中，能夠充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢，達到節(jié)能的目的，為機械生產(chǎn)奠定良好的控制基礎(chǔ)。

2 變頻控制器在風機控制系統(tǒng)中的應用

2.1 系統(tǒng)框架

變頻控制器在風機控制系統(tǒng)中的應用主要通過預先輸入風壓設(shè)定值，通過風壓傳感器將預設(shè)的風壓信號傳輸至變頻控制器，然后通過預先編制的程序?qū)嵤┻\算，并根據(jù)壓力變化調(diào)節(jié)不同的控制信號，進而改變風機運轉(zhuǎn)速度，達到調(diào)控風壓的目的。然后風壓通過傳感器將信號傳輸至變頻控制器，以實現(xiàn)其自動控制。在變頻前提下，通過改變風機輸入的電壓情況，即可實對電機轉(zhuǎn)速的控制。設(shè)定n為風機轉(zhuǎn)動速度，f為其轉(zhuǎn)動的頻率，p為電機的風力級別。則可將電機的轉(zhuǎn)動速度表示為

同時可將改變風機的變動速度，來控制風機的運作情況的關(guān)系通過公式體現(xiàn)。同樣以n表示風機的轉(zhuǎn)動速度，以Q表示風量情況，P表示風壓，N為風機的功率。此時便可得出 1式：，2式：，3式：。將1、2式代入系統(tǒng)曲線公式中，經(jīng)過公式換算，則可得出。通常在使用風機時，其風量、風壓的預先設(shè)定值必須大于實際生產(chǎn)運作的需要。一般壓力需超過標準值的20%左右，風量則需超過約10%。原始的調(diào)控方法雖然相對而言比較簡單，但選用傳統(tǒng)的擋板式閥門調(diào)節(jié)方式不僅會導致能源的浪費，同樣會在一定程度上造成噪聲污染。

2.2 變頻技術(shù)節(jié)能原理

(1)風機節(jié)能原理。風機改造中應用變頻技術(shù)原理，主要基于降低空氣內(nèi)部阻力的視角，來達到節(jié)電、節(jié)能的目的。較之常規(guī)的原始調(diào)節(jié)方法而言，其節(jié)電優(yōu)勢較為明顯。風機運行曲線圖如圖一所示。其中1、2、3、4分別代表四種不同的變頻控制曲線，曲線1為風機在轉(zhuǎn)速一定的情況下的風壓及風量，曲線2表示在風門全開情況下管網(wǎng)內(nèi)部風阻的特性。曲線4則表示風門全開情況下變頻運行的情況。若設(shè)定風機于A點時運作效率最佳，此時橫縱軸分別對應的風量為Q1，風壓為H2，此時若將風量降低，調(diào)節(jié)至Q2的位置，此時相當于強化管網(wǎng)的阻力，同時風機阻力特性增加，風壓并沒有下降，反而增高。由此可知，風機的軸功率與其曲線面積呈正相關(guān)。據(jù)曲線模型分析，可知采用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)后，功率顯著降低，具備良好的節(jié)能效益。以流體力學原理作為參考，當變頻器在實施風速調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速與風量同時下降，此時系統(tǒng)功率也在同步下降，節(jié)能效益較為可觀。

(2)水泵節(jié)能原理。相較風機而言，水泵具有較強的連續(xù)性，傳統(tǒng)的電廠供水系統(tǒng)中，水泵機組要么工頻運行，要么備用，且主要由技術(shù)員操作切投，這就直接導致水管壓力不恒定，能耗高。為了改變這種狀況，某電廠將變頻調(diào)速技術(shù)應用于電廠供水系統(tǒng)，經(jīng)過改造后，供水母管壓力穩(wěn)定，表現(xiàn)出了顯著的節(jié)能效果。

變頻器恒壓給水控制原理圖。該系統(tǒng)由DCS控制電機的切投，而與電機直連的變頻器則提供經(jīng)過有效變頻的電源，其驅(qū)動信號由DCS內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器提供。從結(jié)構(gòu)原理上看，該系統(tǒng)首先將預設(shè)的水壓、水位等信號與母管相關(guān)信號對比，得出一個差值信號，以該信號指導DCS切投電機，而DCS又能通過內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器輸出信號，使變頻器發(fā)出一個合理的頻率信號，從而控制電機轉(zhuǎn)速，以此調(diào)節(jié)母管壓力。

該電廠通過此改造，結(jié)合實際工藝要求，采集母管多點水壓信號，得出合理的平均值進行控制，后續(xù)通過MATLAB結(jié)合Simulink仿真，選取PID參數(shù)，靜動態(tài)輸出相應均比較優(yōu)秀，實際運行中也取得了良好的效果。

3 變頻技術(shù)改造的主要優(yōu)勢

首先，通過變頻技術(shù)改造后，能夠?qū)㈦姍C的啟動電流控制在一定的范圍內(nèi)。在未實施改造前期，電機若直接啟動，則電流的消耗將大于標準電流的5倍左右，此時由于電流值過大，導致電機機組由于電應力作用，產(chǎn)生過多的熱量，造成能源浪費，導致其機組使用壽命降低。而采用變頻技術(shù)改造后，通過變頻調(diào)速，能夠在轉(zhuǎn)速、電壓為零的情況下實現(xiàn)機組的啟動，有效降低啟動時的電能消耗，強化機組內(nèi)部繞組的承載力，延長其的使用壽命。

其次，減少機器控制的電壓波動。在大型設(shè)備電機啟動初期，電流的迅速增加會在一定程度上導致電壓波動頻繁，傳統(tǒng)電機電壓控制主要由其電機的功率及配置電網(wǎng)的系統(tǒng)容量所決定。若硬性降低電壓，則會導致配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)異常，發(fā)生跳閘等現(xiàn)象，影響電機的正常運作。而在風機、水泵改造中應用變頻技術(shù)后，能夠?qū)崿F(xiàn)電機零壓啟動，保持電壓處于正常范圍內(nèi)，在設(shè)備工作負荷較小的情況下，實施低速運行，顯著降低能源消耗，且減少電機之間的磨損、熱量消耗，能夠有效延長機組的使用壽命，同時在降低運作成本方面的作用也較為顯著。電機的能量消耗與其運作轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，實施變頻傳感控制后，有效調(diào)節(jié)不同時段設(shè)備的運作情況，降低電壓、電流的波動速率，降低維修率，延長機器設(shè)備的使用壽命，最終使企業(yè)走上可持續(xù)發(fā)展的道路。

4 結(jié)束語

綜上所述，將變頻技術(shù)應用于大型設(shè)備的交流調(diào)速中，能夠顯著體現(xiàn)其性能優(yōu)勢，針對風機而言，變頻控制器條件能夠有效取代傳統(tǒng)能耗較為嚴重的擋風板式調(diào)節(jié)，降低風機的電流沖擊，減少機械設(shè)備的震動頻率，降低設(shè)備故障產(chǎn)生的幾率，減少設(shè)備的維修量，實現(xiàn)風量、風壓的自動調(diào)節(jié)，達到節(jié)能的作用。對于水泵改造來說，將變頻技術(shù)應用于節(jié)能改造中，能夠顯著降低水泵壓力的浪費，避免機器做較多的無用功，將水泵電動機的運行壓力控制在正常范圍內(nèi)，降低壓力能源的消耗，優(yōu)化電機能源配置，減少運作成本?？傊陲L機、水泵電動機改造中應用變頻技術(shù)，能夠充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢，達到能源最優(yōu)利用的目的。