摘要：濾池反沖洗是恢復和繼續發揮濾池過濾功能的重要手段，只有選擇合適的反沖洗強度才能滿足濾池反沖洗工藝的要求。本文分析了濾池反沖洗鼓風機原有的閥板節流控制方式存在的缺陷，採用變頻器對其進行調速控制改造，通過相關資料的測試和對比結果表明，變頻調速用於濾池反沖洗鼓風機控制既滿足了生產工藝要求，又具顯著的經濟效益。
關健詞：變頻調速供水行業濾池反沖洗節能降耗
一、 前言
隨著現代控制技術的發展，氣動類元件在工礦企業中被廣泛應用，作為氣動能源的鼓風機，其容量也越來越大，而為其配套的電動機的容量也隨之增大，且是常年執行。由於鼓風機一直在全壓全速滿負荷執行中，生產過程中只需要負荷的70%就滿足工藝要求。而電力拖動的設計按當時的工藝要求以最大負載來配置電動機的容量。
於是，使電動機執行效率降低，造成能源浪費，這對常年執行的鼓風機來說很不經濟的。近年來，隨著國際能源高度緊張，各行各業都在研究對策進行節能降耗，控制生產成本。為此，我採用目前技術已很成熟的變頻調速技術對我廠的鼓風機糸統進行節能改造。
改造後的系統具有能耗低、機械噪音小、故障維修率低、與計算機系統聯結形成完善的自動化控制系統，在我廠具有明顯的經濟效益和社會效益。
二、 濾池反沖洗工藝狀況：
濾池反沖洗是恢復和發揮濾池過濾功能的重要手段，濾池的效率完全依靠有效的清洗來實現。反沖洗強度不足，導致濾池清洗不乾淨、濾池堵塞較快、產生泥球以至口影響過濾效能；反沖洗強度太大，可能出現濾料層、承托層翻動，膨脹太高，造成跑砂、配水系統故障或漏砂現象。因此，只有選擇合適的反沖洗強度才能滿足濾池反沖洗工藝要求。
淨水廠v型濾池反沖洗工藝要求:濾池滿足反沖洗條件時，先進行氣衝，再進行氣水混合衝，後進行水沖，氣衝強度的大小由鼓風機風量和風壓的大小來控制，水沖洗的強度由反衝幫浦流量和揚程的大小控制。
三、鼓風機原有系統情況
1.裝置配置我廠有陝西鼓風機廠生產的型號c60-1.5型軸向導流、多級單吸離心式風機二台，一用一備：
進口風量60m3/min、進口風壓1mpa、出口壓力1.5mpa。匹配電機型號：
y280s-2型非同步電動機，額定功率為75kw，額定電流140a、額定電壓380v、頻率50hz、轉速2970r/min，三角接法，b級絕緣。採用全壓直接啟動接觸器控制，原主電路及控制電路如下圖。
2.鼓風機系統工作原理簡述
鼓風機系統中有三個以其配套的電動閥門：分別是進風閥、出風閥、回風閥。初始狀態進風閥和出風閥關閉，回風閥開啟，電機空載起動；電機開啟後，依次開啟出風閥和進風閥，待兩閥門開到位後，關回風閥，待回風閥關到位後，風機開始正常送風。
鼓風機的風量和風壓是靠人工手動調節電動閥門的開度來實現，電機正常送風階段一直在全壓全速執行。
四、提出問題
1. 在沖洗濾池時，工藝要求反沖洗的強度為14-17/，只需鼓風機進風閥開到閥門全程的1/2就能滿濾池反沖洗工藝要求。鼓風機富餘的功率白白消耗在閥門上,降低電機效率。
沒有與電腦控制的濾池的進出水閥及氣衝閥配起來。
2. 生產工藝要求需二個沖洗強度為最佳，鼓風機的風量的調節是通過人工手動調節進風閥的開度來實現,未能滿足工藝要求。風機從啟動到正常執行靠控制電動閥門的開關來實現，相關裝置多，故障率高。
3. 電機全壓直接起動，起動電流很大，對電網有衝擊，尤其對風機的連軸器、軸承造成嚴重機械磨損。
五、 對提出問題的分析
（一） 從節能的角度
1、變頻調速的基本原理
根據非同步電機的轉速公式n＝60f(1－s)／p，要調節電動機的轉速，只有通過改變同步轉速來實現。由n0=60f／p可知，一是通過改變磁極對數p來實現調速，但是這種方法的缺點是調節是有級的，且極數很少，電動機的效率將降低。二是通過改變定子電源頻率f來實現調速。
由no=60f/p可知，當頻率連續可調時，非同步電機的同步轉速n0也連續可調，因為電機的轉子轉速nm總是比同步轉速n0略低些。所以，當n0連續可調時，n m也連續可調。由於非同步電動機的同步轉速n0與電源頻率成正比，所以改變電源頻率就能改變同步轉速n0，從而實現調速，這就是變頻調速。
即將工頻50hz的交流電輸入變頻調速器，通過整流、儲能元件、逆變器等，變換成頻率連續可調的三相交流電流，控制電動機的轉速，又根據交流電動機轉矩公式：t=cφt2＆∮2 可見t與∮、i成正比，又u＝e1=c1f1∮則∮＝e1/f1=u1/f1
要滿足電動機的輸出轉矩不變，就要維持u1/f1為一定值，由此，變頻調速也稱為vv vf調速方式。
2、 鼓風機變頻調速節能原理分析
1、 進風閥門開度為100％時的管網阻力特性曲線
2、進風閥門開度為70％時的管網阻力特性曲線
3、轉速為額定轉速n2(f=50hz)時的風機特性曲線
4、轉速為轉速n(f=40hz)時的風機特性曲線
風機的設計工作流量為60m3/min，系統在這一流量下的工作點a點，閥門開度為100%，因滿足濾池一定的氣沖洗強度的工藝要求，風機工作流量須保持q1=38.8m3/min。原糸統採用了將進風閥門調節在70%位置的方法，這樣相當於增加了風機管道阻力，使管道阻力曲線由1公升至2，糸統工作點由a點轉到b點執行。
從圖上看出此時風機進出風壓力差由h上公升到h1，此時電機輸出軸功率p1與bhoq成正比，採用變頻調速後，電機轉速由ne至n1在轉速下的特性曲線為3，系統工作點由b點轉列c點，可見在滿足同樣流量q1的情況下，風機進出風口壓力差由採用閥板節流時的h1下降到h2，由於出風口壓力保持不變，因而進出風口壓力差的變化就是風機進風口壓力變化的反應，此時電機輸出軸功率p2與ch2oq1成正比，採用變頻調速後節約的軸功率∠p與bh1h2c面積成正比。
若將採用閥板節流時風機消耗的電能表示為：w1=kh1q1，採用變頻調速比閥板節流節省的電能為：w1-w2=k(h1-h2)q1=kq1^h
在相同出口壓力、相同流量q1下的節電率為:
r=(w1-w2)/w1=kq1^h/kh1q1=^h/h1
由此可見,取消閥板調節,採變頻調速,是一種行之有效們節能措施.
（二）從工藝要求
工藝要求保正在沖洗初期有足夠的強度沖開較髒的濾料層,在該強度下執行乙個時間段後,下降到下乙個速度執行,使此時的氣衝強度正好滿足工藝要求.採用變頻調速的多段速度控制正好滿足工藝要求.
（三） 從起動過程看
由於電機直接起動，起動電流高達額定電流的4~7倍，將對電網形成衝擊，引起電壓波動，對接觸器主觸頭造成損壞。快捷的起動，常常對機械形成衝擊，縮短機械傳動軸、軸承的使用壽命。還有與鼓風機配合的三個電動閥門控制複雜，故障率高，維修量大。
採變頻調速後，由於其輸出頻率可以從很低頻率開始，實現了軟起動，有效地降低起動電流，減少對電網、電機、接觸器的衝擊。延長機械傳動部分的使用壽命，取銷了與鼓風機配合的三個電動控制閥門，減少大量維修工作量。
通過上述三方面分析可見，鼓風機採用變頻調速控制，在企業節能中將具有明顯的經濟效益和社會效益。
六、解決問題
1．改造後的系統示意框圖
由下圖可見，鼓風機的變頻調速系統採用二段速度控制，與計算機聯結形成完善的自動化控制，風機的風壓與風量的調節通過改變風機的轉速實現，滿足工藝要求。
2、變頻器調速的多段速度控制
通過變頻器鍵盤操作，設定引數從端子選擇執行/停止,由變頻器內部提供15v電源接到9號端子,由沖洗濾池的工況決定第一速度段的輸出頻率(50hz以下)接到16號端子,第二段速度頻率(40hz以下)接至端子8。鼓風機變頻調速糸統就是根據多段速度的控制作用,自動調整變頻器的輸出頻率的高低,以此來調整電動機的轉速。
3．變頻器選擇
1）鼓風機配置的電動機為y280s-2,功率為75kw、頻率為50hz、額定電壓380v、額定電流140a、轉速2970r/min。我們選用了二台西門子eco變頻器
該變頻器主要技術引數:
可變轉矩負載能力為75kw、負載電流為140a、輸入電壓380-415v、3相、頻率50hz、最大輸出為380-460v、其電子熱繼電器可調範圍20%-120%變頻器額定電流,頻率可調範圍0-400hz。頻率設定方式：操作面板、電位器、電壓全訊號(0-10)、電流訊號(4-20)。
該變流器有如下技術特點:該變流器是全數字電壓型igbt功率器件模組化結構通用糸列標準產品,可實現轉矩限定、轉矩提公升、轉差補償控制、瞬間電源故障後的平穩恢復、自動加速/減速控制,自動節能執行,並有高可靠的保護和錯誤分柝、診斷、顯示等功能
2) 變頻器調速的多段速度控制
通過變頻器鍵盤操作，設定引數從端子選擇執行/停止,由變頻器內部提供15v電源接到變頻器9號端子,由沖洗濾池的工況決定, 設定第一速度段的輸出頻率訊號(50hz以下)從變頻器16號端子輸出,與中間繼電器ka1的常開觸點連按,再與變頻器9號端子連按,完成第一速度段控制。設定第二段速度頻率訊號(40hz以下)從變頻器8號端子輸出, 與中間繼電器ka2的常開觸點連按,再與變頻器9號端子連按,完成第二速度段控制。鼓風機變頻調速糸統就是根據多段速度的控制作用,自動調整變頻器的輸出頻率的高低,以此來調整電動機的轉速。
3、改造後的電路設計
本採統的電路設計是：由於與計算機聯接形成自動化控制，結合變頻器的控制特點，取消了與鼓風機配合的三電動閥門的控制電路，軸承的溫控和故障報警引至計算機控制，改造後的電路簡單明瞭，同時滿足控制要求。見圖10所示改造後的主電路及其控制電路。
（1） 主電路
由圖10可見，接觸器km用於將電源接至變頻器的輸入端，將變頻器的輸出端接至電動機。
（2）控制電路
由圖10可見執行方式由三位開關sa進行選擇.
手動控制：
當sa合至」手動」執行方式時,按下起動按鈕sb2,接觸器km得電吸合,將工頻電源按到變頻器輸入端,並允許電動機起動。
按下sb4,中間繼電器ka動作並自鎖,進而使中間繼器ka1和時間繼電器kt得電吸合,電動機開始公升速,進入」變頻執行」第一段速度控制,60秒後kt常閉觸點延時斷開,ka1失電，結束第一段速度控制，同時kt常開觸點通電延時閉合，中間繼電器ka2得電吸合，變頻器進入第二速度執行，沖洗時間到，按下sb3，ka失電，變頻器停止執行。按下sb1，接觸器km失電，風機手動操作完畢。
自動控制：
將sa合至「計控」執行方式，當濾池的沖洗條件滿足，由**控制室的計算機系統向鼓風機系統發出控制指令訊號，pc觸點閉合，接觸器km得電吸合，將工頻電源接到變頻器輸入端,並允許電動機起動。當變頻器起動條件滿足，計算機控制的指令觸點閉合，中間繼電器ka動作，進而使中間繼器ka1和時間繼電器kt得電吸合,變頻器進入第一段速度段執行，電機開始公升速並在設定的頻率範圍執行，60秒後kt常閉觸點延時斷開,ka1失電，結束第一段速度控制，同時kt常開觸點通電延時閉合，中間繼電器ka2得電吸合，變頻器進入第二段速度執行，根據工況要求由計算機設定的沖洗時間到，控制變頻器的計控觸點斷開ka2失電，變頻器停止執行，鼓風機自動控制結束。
4 變頻器的外部接線
六、變頻器調速系統的安裝與除錯
1.系統安裝
變頻器是一台全電力半導體裝置,由於它對環境及其按線要求較高.結合我廠風機房的實際情況,我們將原來三個電動閥門的主控制電路取消,在原處合理布局空氣開關、接觸器、變頻器,使變頻器豎立安裝櫃內左側,空氣開關和按觸器在櫃右側,從而使安裝環境、散熱效果、維護方便性都較為理想。
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