1、.运用变频采调速对滤池反冲洗鼓风机控制的节能改造摘要：滤池反冲洗是恢复和继续发挥滤池过滤功能的重要手段，只有选择合适的反冲洗强度才能满足滤池反冲洗工艺的要求。本文分析了滤池反冲洗鼓风机原有的阀板节流控制方式存在的缺陷，采用变频器对其进行调速控制改造，通过相关数据的测试和对比结果表明，变频调速用于滤池反冲洗鼓风机控制既满足了生产工艺要求，又具显著的经济效益。关健词：变频调速 供水行业 滤池反冲洗 节能降耗一、前言随着现代控制技术的发展，气动类元件在工矿企业中被广泛应用，作为气动能源的鼓风机，其容量也越来越大，而为其配套的电动机的容量也随之增大，且是常年运行。由于鼓风机一直在全压全速满负荷运行中，
2、生产过程中只需要负荷的 70%就满足工艺要求。而电力拖动的设计按当时的工艺要求以最大负载来配置电动机的容量。于是，使电动机运行效率降低，造成能源浪费，这对常年运行的鼓风机来说很不经济的。近年来，随着国际能源高度紧张，各行各业都在研究对策进行节能降耗，控制生产成本。为此，我采用目前技术已很成熟的变频调速技术对我厂的鼓风机糸统进行节能改造。改造后的系统具有能耗低、机械噪音小、故障维修率低、与计算机系统联结形成完善的自动化控制系统，在我厂具有明显的经济效益和社会效益。二、 滤池反冲洗工艺状况：滤池反冲洗是恢复和发挥滤池过滤功能的重要手段，滤池的效率完全依靠有效的清洗来实现。反冲洗强度不足，导致滤池清
3、洗不干净、滤池堵塞较快、产生泥球以至口影响过滤性能；反冲洗强度太大，可能出现滤料层、承托层翻动，膨胀太高，造成跑砂、配水系统故障或漏砂现象。因此，只有选择合适的反冲洗强度才能满足滤池反冲洗工艺要求。净水厂 v 型滤池反冲洗工艺要求:滤池满足反冲洗条件时，先进行气冲，再进行气水混合冲，后进行水冲，气冲强度的大小由鼓风机风量和风压的大小来控制，水冲洗的强度由反冲泵流量和扬程的大小控制。三、鼓风机原有系统情况1.设备配置 我厂有陕西鼓风机厂生产的型号 c60-1.5 型轴向导流、多级单.吸离心式风机二台，一用一备：进口风量 60m3/min、进口风压 1Mpa、出口压力1.5Mpa。匹配电机型号：Y
4、280S-2 型异步电动机，额定功率为 75kw，额定电流140A、额定电压 380V、频率 50Hz、转速 2970r/min，三角接法，B 级绝缘。采用全压直接启动接触器控制，原主电路及控制电路如下图。135246L 1L 2 L 3 1 Q L1 K M1 K RY 2 8 0 S - 27 5 K W1 0 11 F U1 0 31 S A1 0 51 1 51 2 11 S S1 0 71 S F1 0 92 K M 4 K M1 K M 1 K R1 K M2 S S1 1 73 S S1 1 92 S F3 S F1 K MJ1 1 1 1 1 3 1 0 41 K M1 K M
5、1 H R2 H R3 H R4 H R1 2 31 2 51 H G2 H G3 H G4 H GX BN 4 1 12 P A A 4 1 3B 4 1 3C 4 1 31 P A 11 P A 21 P A 3A 4 1 2B 4 1 2C 4 1 21 P J1 P J1 P JA 4 1 1B 4 1 1C 4 1 11 2 11TAa1TAb1TAc 2 2 0 vN1 2 21 2 3.1 H Y2 H Y3 H Y4 H YL 2N2 F U1 2 74 S S1 2 9 2 2 0 V1 K T 11 K A1 K T 22 K A 2 K T 13 K A2 K T 24
6、K A1 3 11 3 31 3 51 3 71 K A2 K A3 K A4 K A1 0 61 K A2 K A3 K A4 K A1 3 91 4 11 4 31 4 51 K A2 K A3 K A4 K A1 4 7H A135246A B CQ LK R1 0 11 F U1 0 31 S A1 0 51 1 51 S S1 0 72 S S1 S Q1 H R2 H R3 H R1 H G2 H G3 H GN2 S Q1 0 8K1 K M2 K M 3 8 0 VK R1 0 3 1 0 93 K A4 S F3 S F4 K A 2 S F1 S FJ K 1J K 21
7、1 11 1 71 1 15 S F6 S F1 1 91 1 32 K M1 K M1 0 63 S Q1 0 4 4 S Q1 2 02 K M1 K M1 K M2 K M3 K M4 K M1 S Q2 S Q1 K M2 K M1 2 11 2 31 2 51 2 71 2 91 K A1 3 12 K A5 K A3 S Q4 S Q1 Y E2 Y E3 Y E1 3 3T C1 3 54 H G1 3 71 R P2 R P1 3 91 2 2.2.鼓风机系统工作原理简述鼓风机系统中有三个以其配套的电动阀门：分别是进风阀、出风阀、回风阀。初始状态进风阀和出风阀关闭，回风阀打开，
8、电机空载起动；电机开启后，依次打开出风阀和进风阀，待两阀门开到位后，关回风阀，待回风阀关到位后，风机开始正常送风。鼓风机的风量和风压是靠人工手动调节电动阀门的开度来实现，电机正常送风阶段一直在全压全速运行。四、提出问题1. 在冲洗滤池时，工艺要求反冲洗的强度为 14-17/，只需鼓风机进风阀开到阀门全程的 1/2 就能满滤池反冲洗工艺要求。鼓风机富余的功率白白消耗在阀门上,降低电机效率。没有与电脑控制的滤池的进出水阀及气冲阀配起来。2. 生产工艺要求需二个冲洗强度为最佳，鼓风机的风量的调节是通过人工手动调节进风阀的开度来实现,未能满足工艺要求。风机从启动到正常运行靠控制电动阀门的开关来实现，相
9、关设备多，故障率高。3. 电机全压直接起动，起动电流很大，对电网有冲击，尤其对风机的连轴器、轴承造成严重机械磨损。五、 对提出问题的分析（一） 从节能的角度1、变频调速的基本原理根据异步电机的转速公式 n60f(1s)p，要调节电动机的转速，只有通过改变同步转速来实现。由 n0=60fp 可知，一是通过改变磁极对数p 来实现调速，但是这种方法的缺点是调节是有级的，且极数很少，电动机的效率将降低。二是通过改变定子电源频率 f 来实现调速。由 no=60f/p 可知，当频率连续可调时，异步电机的同步转速 n0 也连续可调，因为电机的转子转速 nm 总是比同步转速 n0 略低些。所以，当 n0 连续
10、可调时，n m 也连续可调。由于异步电动机的同步转速 n0 与电源频率成正比，所以改变电源频率就能改变同步转速 n0，从而实现调速，这就是变频调速。即将工频50Hz 的交流电输入变频调速器，通过整流、储能元件、逆变器等，变换成频率连续可调的三相交流电流，控制电动机的转速，又根据交流电动机转矩公式：T=CT22 可见 T 与、I 成正比，又 UE1=C1F1则.E1/F1=U1/F1要满足电动机的输出转矩不变，就要维持 U1/F1 为一定值，由此，变频调速也称为 VV VF 调速方式。2、 鼓风机变频调速节能原理分析HQ0BAC VQ 1QH 1 HH 21、 进风阀门开度为 100时的管网阻力
11、特性曲线2、进风阀门开度为 70时的管网阻力特性曲线3、转速为额定转速 n2(f=50Hz)时的风机特性曲线4、转速为转速 n(f=40Hz)时的风机特性曲线风机的设计工作流量为 60m3/min，系统在这一流量下的工作点 A 点，阀门开度为 100%，因满足滤池一定的气冲洗强度的工艺要求，风机工作流量须保持 Q1=38.8m3/min。原糸统采用了将进风阀门调节在 70%位置的方法，这样相当于增加了风机管道阻力，使管道阻力曲线由 1 升至 2，糸统工作点由 A 点转到 B 点运行。从图上看出此时风机进出风压力差由 H 上升到 H1，此时电机输出轴功率 P1 与 BHOQ 成正比，采用变频调速
12、后，电机转速由 ne 至 n1 在转速下的特性曲线为 3，系统工作点由 B 点转列 C 点，可见在满足同样流量 Q1 的情况下，风机进出风口压力差由采用阀板节流时的 H1 下降到 H2，由于出风口压力保持不变，因而进出风口压力差的变化就是风机进风口压力变化的反应，此时电机输出轴功率 P2 与 CH2OQ1 成正比，采用变频调速后节约的轴功率P 与BH1H2C 面积成正比。若将采用阀板节流时风机消耗的电能表示为：W1=KH1Q1，采用变频调速比阀板节流节省的电能为：W1-W2=K(H1-H2)Q1=KQ1H.在相同出口压力、相同流量 Q1 下的节电率为:r=(W1-W2)/W1=KQ1H/KH1
13、Q1=H/H1由此可见,取消阀板调节,采变频调速,是一种行之有效们节能措施.（二）从工艺要求工艺要求保正在冲洗初期有足够的强度冲开较脏的滤料层,在该强度下运行一个时间段后,下降到下一个速度运行,使此时的气冲强度正好满足工艺要求.采用变频调速的多段速度控制正好满足工艺要求.（三）从起动过程看由于电机直接起动，起动电流高达额定电流的 47 倍，将对电网形成冲击，引起电压波动，对接触器主触头造成损坏。快捷的起动，常常对机械形成冲击，缩短机械传动轴、轴承的使用寿命。还有与鼓风机配合的三个电动阀门控制复杂，故障率高，维修量大。采变频调速后，由于其输出频率可以从很低频率开始，实现了软起动，有效地降低起动电
14、流，减少对电网、电机、接触器的冲击。延长机械传动部分的使用寿命，取销了与鼓风机配合的三个电动控制阀门，减少大量维修工作量。通过上述三方面分析可见，鼓风机采用变频调速控制，在企业节能中将具有明显的经济效益和社会效益。六、解决问题1改造后的系统示意框图由下图可见，鼓风机的变频调速系统采用二段速度控制，与计算机联结形成完善的自动化控制，风机的风压与风量的调节通过改变风机的转速实现，满足工艺要求。二段变数变数器 电机 鼓风机 滤池计算机2、变频器调速的多段速度控制通过变频器键盘操作，设置参数从端子选择运行/停止,由变频器内部提.供 15V 电源接到 9 号端子,由冲洗滤池的工况决定第一速度段的输出频率
15、(50HZ 以下)接到 16 号端子,第二段速度频率(40HZ 以下)接至端子 8。鼓风机变频调速糸统就是根据多段速度的控制作用,自动调整变频器的输出频率的高低,以此来调整电动机的转速。3变频器选择1）鼓风机配置的电动机为 Y280S-2,功率为 75KW、频率为 50Hz、额定电压380V、额定电流 140A、转速 2970r/min。我们选用了二台西门子 ECO 变频器该变频器主要技术参数:可变转矩负载能力为 75KW、负载电流为 140A、输入电压 380-415V、3 相、频率 50Hz、最大输出为 380-460V、其电子热继电器可调范围 20%-120%变频器额定电流,频率可调范围
16、 0-400Hz。频率设定方式：操作面板、电位器、电压全信号(0-10)、电流信号(4-20)。该变流器有如下技术特点:该变流器是全数字电压型 IGBT 功率器件模块化结构通用糸列标准产品,可实现转矩限定、转矩提升、转差补偿控制、瞬间电源故障后的平稳恢复、自动加速/减速控制,自动节能运行,并有高可靠的保护和错误分柝、诊断、显示等功能2) 变频器调速的多段速度控制通过变频器键盘操作，设置参数从端子选择运行/停止,由变频器内部提供15V 电源接到变频器 9 号端子,由冲洗滤池的工况决定, 设置第一速度段的输出频率信号(50HZ 以下)从变频器 16 号端子输出,与中间继电器 KA1 的常开触点连按
17、,再与变频器 9 号端子连按,完成第一速度段控制。设置第二段速度频率信号(40HZ 以下)从变频器 8 号端子输出, 与中间继电器 KA2 的常开触点连按,再与变频器 9 号端子连按,完成第二速度段控制。鼓风机变频调速糸统就是根据多段速度的控制作用,自动调整变频器的输出频率的高低,以此来调整电动机的转速。3、改造后的电路设计本采统的电路设计是：由于与计算机联接形成自动化控制，结合变频器的控制特点，取消了与鼓风机配合的三电动阀门的控制电路，轴承的温控和故障报.警引至计算机控制，改造后的电路简单明了，同时满足控制要求。见图 10 所示改造后的主电路及其控制电路。（1） 主电路AB C1 Q SK
18、MM1 0 12 Q SU V WR S T2 12 25791 2 71 2 5K A 1K A 2E135246J1 S AS1 0 91 1 31 S S1 0 71 S F1 0 9K MK MP C1 0 71 0 21 H LNK A783 S B4 S B1 1 51 1 71 0 2K AK TK A 1P CK AK TK T 1K A 21 1 9K M2 H L1 2 1由图 10 可见，接触器 KM 用于将电源接至变频器的输入端，将变频器的输出端接至电动机。（2）控制电路由图 10 可见运行方式由三位开关 SA 进行选择.手动控制：当 SA 合至”手动”运行方式时,按下
19、起动按钮 SB2,接触器 KM 得电吸合,将工频电源按到变频器输入端,并允许电动机起动。按下 SB4,中间继电器 KA 动作并自锁,进而使中间继器 KA1 和时间继电器 KT得电吸合,电动机开始升速,进入”变频运行”第一段速度控制,60 秒后 KT 常闭触点延时断开,KA1 失电，结束第一段速度控制，同时 KT 常开触点通电延时闭合，中间继电器 KA2 得电吸合，变频器进入第二速度运行，冲洗时间到，按下.SB3，KA 失电，变频器停止运行。按下 SB1，接触器 KM 失电，风机手动操作完毕。自动控制：将 SA 合至“计控”运行方式，当滤池的冲洗条件满足，由中央控制室的计算机系统向鼓风机系统发出
20、控制指令信号，PC 触点闭合，接触器 KM 得电吸合，将工频电源接到变频器输入端,并允许电动机起动。当变频器起动条件满足，计算机控制的指令触点闭合，中间继电器 KA 动作，进而使中间继器 KA1 和时间继电器 KT 得电吸合,变频器进入第一段速度段运行，电机开始升速并在设定的频率范围运行，60 秒后 KT 常闭触点延时断开,KA1 失电，结束第一段速度控制，同时 KT 常开触点通电延时闭合，中间继电器 KA2 得电吸合，变频器进入第二段速度运行，根据工况要求由计算机设定的冲洗时间到，控制变频器的计控触点断开 KA2 失电，变频器停止运行，鼓风机自动控制结束。4 变频器的外部接线六、变频器调速系
21、统的安装与调试1.系统安装变频器是一台全电力半导体设备,由于它对环境及其按线要求较高.结合我厂风机房的实际情况,我们将原来三个电动阀门的主控制电路取消,在原处合理布局空气开关、接触器、变频器,使变频器竖立安装柜内左侧,空气开关和按触器在柜右侧,从而使安装环境、散热效果、维护方便性都较为理想。1)主电路线径的选择安装电源与变频器之间及变频器与电动机之间的导线,采用与原主电路相同截面积的 120mm2 铜导线安装。变频器的 R、S、T 三端通过接触器 KM 接入断路器 QF后的三相交流电源,变频器的 U、V、W 三端与电动机相接。2) 控制线路的选择安装控制线路的接线主要是开关量控制线,由起动、停
22、止、速度调整等控制组成的开关量控制线,由于开关量的抗干扰能力较强且接线距离近,故没有使用屏蔽线。只采用普通的 1.5mm2 的绝缘软铜线。变频器、电动机的接地线(16mm2)接到同一点上。2.系统调试在调试过程中,我们以滤池反冲洗工艺对气冲强度的要求为依据制定调试.方案,具体步骤如下：1) 按说明书的要求不带电机对变频器检查,对各项功能和数据进行设置和更改。2)带上电动机进行带负载调试。先把鼓风机起动,运行到正常转速,然后逐步把进风阀门打开。缓慢减小电机输入电压频率,观察风量、风速、电流的变化,调到达列工艺要求的数据标准为止。反复进行多次,确定调速的频率范围。2)变流器的主要参数设置： (1)
23、频率上限、下限设定。最高频率设定为 43Hz,即电机最高转速限制在2550r/min 以内,以防风机风量过大造成跑砂、滤板损坏等问题。最低频率设定为 28Hz，即风机启动时，频率由零迅速上升到 28Hz，电机转速线性增加到对应的转速。避免了因频率过低，启动时间长，启动转矩不足的问题。（2） 加速、减速时间设定。在启动变流器后，观察加速过程中的输出电流，若出现电流过大，则延长加速时间，反之缩短加速时间；在停止变流器运行后，观察减速过程是否出现直流电压，若出现，则延长减速时间，否则可缩短减速时间。根据现场试验，设定加速、减速时间为 30 秒。（3） 加速/减速方式设定。由于采用步速度运行，所以按要
24、求选择了线性加速/减速方式 C-0。（4） 多步速度设定。根据冲洗工艺的要求，设定第一速度的运行频率为40Hz，以保正在冲洗初期有足够的强度冲开较脏的滤料层，在该速度下运行 1 分钟后，下降到第二速度运行，其对应频率为 36Hz，使此时的气冲强度正好满足工艺要求。（5） 电动机极数设定电。电机极数为 2，设定该参数是为了能监视电机的同步转速和负载机械的转速。七、改运后效果分析在变频调速装置运行前后，针对鼓风机在相同负载下的运行造情况，我们做了一些对比性的测试工作。 （见表 2）1 能保持鼓风机的流量稳定在反冲洗强度要求的一定范围内，滤池反冲洗时的跑砂率减少，形成的气泡均匀，冲池的效果提高。.2 使用变频器后，鼓风机实现了软起动，不会出现冲击电流，延长接触器、电动机、风机连轴器、轴承的使用寿命，节省维修成本。同时与电脑控制系统联结，提高了自动化程度，反冲洗滤时气冲强度调节方便，减轻了工人的劳动强度，节约了电能和相关费用支出。3 节电效果：鼓风机采用变频调速控制后，通过（外挂电表）与原抄表 30 天记录比较看（改造前日平均数 350KWh,改造后日平均数 275KWh）,节电率为 21.4%,其节电效果是非常明显的,从回收投资的角度讲,大约 1.4 年时间即可收回投资(设备购置费 3.75 万元),以后每年可为本厂节省电费支出 27300 元。
