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0 引言
        交流變頻調(diào)速是交流電動機(jī)調(diào)速方法中最理想的方案，采用變頻器對風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械進(jìn)行調(diào)速以至調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量的方法，對節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。過去由于價格、質(zhì)量、容量等因素的約束,使得變頻器沒有得到廣泛應(yīng)用。近年來隨著電力電子技術(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，通過交流電動機(jī)的無級調(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 萬噸鋁錠的大型電解分廠，共有268 臺電解槽，分5.5 萬噸和8.5 萬噸兩期建設(shè)而成，配套建設(shè)的凈化系統(tǒng)分為東、中、西部三個，每套系統(tǒng)由兩臺氣提風(fēng)機(jī)（75 kW）、三臺羅茨（流態(tài)化）風(fēng)機(jī)（75kW）、兩臺高壓風(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)工藝過程中，兩臺風(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)門全開）。假設(shè)風(fēng)機(jī)工作在A 點(diǎn)效率最高，此時風(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，這時用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法相當(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，畫出在轉(zhuǎn)速n2 時的風(fēng)量（Q-H）特性，如曲線所示?？梢娫跐M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，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，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)速控制方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量是節(jié)能的有效方法。
2 過程控制的實(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 將檢測到的管道壓力變換為電信號，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)測值進(jìn)行比較運(yùn)算后，輸出控制信號經(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，M1 電機(jī)投入變頻運(yùn)行，隨著所需風(fēng)量的增大，通過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，M1 自動切換到工頻運(yùn)行，同時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)計兩臺風(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，控制原理與風(fēng)量增大時相反，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，則M退出運(yùn)行, 同時M1由工頻運(yùn)行自動切換到變頻運(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，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機(jī)，KM3 用于將工頻電源直接接至電動機(jī)，因為在工頻運(yùn)行時，變頻器不能通過電動機(jī)的過載進(jìn)行保護(hù)，所以接入了熱繼電器KR，作為工頻運(yùn)行時的過載保護(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)行的切換開關(guān)。
       工頻運(yùn)行時，首先將選擇開關(guān)SA2 旋至“工頻 ”運(yùn)行位，使輸入繼電器X0 動作，為工頻運(yùn)行做好準(zhǔn)備。按起動按鈕SF1，輸入繼電器X2 動作，使輸出繼電器Y2 動作并保持，從而接觸器KM3 動作，電動機(jī)在工頻電壓下起動并運(yùn)行。按停止按鈕ST1,輸入繼電器X3 動作 ，“復(fù)位”從而接觸器使輸出繼電器Y2 ，KM3 失電，電動機(jī)停止運(yùn)行。如果電動機(jī)過載，熱繼電器觸點(diǎn)KR 閉合，輸入繼電器X7 動作，輸出繼電器Y2 與接觸器KM3 相繼復(fù)位，電動機(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 首先將選擇開關(guān)SA2 旋至“變頻 ”運(yùn)行位，使輸入繼電器X1 動作，為變頻運(yùn)行做好準(zhǔn)備。按起動按鈕SF1,輸入繼電器X2 動作，使輸出繼電器Y1 動作并保持。一方面使接觸器KM2 動作，將電動機(jī)接至變頻器輸出端。另一方面，又使輸出繼電器Y0 動作，從而接觸器KM1 動作，使變頻器接通電源。
按停止按鈕ST1，輸入繼電器X33Y，在作動1Y器電繼出輸使，下提前的位復(fù)經(jīng)已或未動作“復(fù)位”，接觸器KM2 復(fù)位，切斷電動機(jī)與變頻器之間的聯(lián)系。同
時，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3Y器電繼出輸，下提前的作動經(jīng)已動作并保持，繼電器KA 動作，變頻器的FWD 接通，電動機(jī)開始加速并運(yùn)行，進(jìn)入變頻運(yùn)行階段。同時，Y3 的常閉觸點(diǎn)使“停止按鈕”ST1 暫時不起作用，防止在電動機(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 動作，輸出繼電器Y3 復(fù)位，繼電器KA 失電，變頻器的FWD 斷開，電動機(jī)開始降速并停止。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，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 動作并保持，蜂鳴器HA 和指示燈HL 工1Y時，在同。警報光聲行進(jìn)，作
已經(jīng)復(fù)位的情況下，時間繼電器T1 開始計時，其常開觸點(diǎn)延時斷開，使輸出繼電器Y2 動作并保持，電動機(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
        通過風(fēng)機(jī)的變頻技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效，延長了設(shè)備的使用壽命，提高了設(shè)備的安全運(yùn)行和自動化水平，降低了職工勞動強(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，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 天計算，則一年所耗電費(fèi)為365×24×300×0.29＝76.2 萬元。
        2)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)風(fēng)量下降到80% 時，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 萬元。
4 結(jié)語
        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)品競爭力的有效措施。在“十一五”期間國家提出建設(shè)節(jié)約型社會，大力提倡節(jié)能降耗的形勢下，作為企業(yè)應(yīng)千方百計地開展節(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)。

作者簡介：

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