變頻調速技術在水泵控制系統中的應用
變頻調速技術在水泵控制系統中的應用
水泵變頻調速控制系統概述
變頻調速（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ節(jié)能技術是一項集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高效節(jié)能技術。自８０年代世界各國將其投入工業(yè)應用以來，它顯示出了強勁的競爭力，其應用領域也在迅速擴展。現在凡是可變轉速的拖動電機，只要采用該項技術就能取得非常顯著的節(jié)能效果。國家科委十分重視這一技術的推廣工作，已在１９９５年將其列入國家級重點推廣的科技成果項目。
隨著我國工業(yè)生產的迅速發(fā)展，電力工業(yè)雖然有了長足進步，但能源的浪費卻是相當驚人的。據有關資料報導，我國風機、水泵、空氣壓縮機總量約４２００萬臺，裝機容量約１．１億千瓦。但系統實際運行效率僅為３０～４０％，其損耗電能占總發(fā)電量的３８％以上。這是由于許多風機、水泵的拖動電機處于恒速運轉狀態(tài)，而生產中的風、水流量要求處于變工況運行；還有許多企業(yè)在進行系統設計時，容量選擇得較大，系統匹配不合理，往往是“大馬拉小車”，造成大量的能源浪費。因此，搞好風機、水泵的節(jié)能工作，對國民經濟的發(fā)展具有重要意義。
１ 水泵調速運行的節(jié)能原理
圖１為水泵調速時的全揚程特性（Ｈ－Ｑ）曲線。用閥門控制時，當流量要求從Ｑ減小到Ｑ１，必須關小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，阻力曲線從Ｒ移到Ｒ′，揚程則從Ｈ０上升到Ｈ１，運行工況點從Ａ點移到Ｂ點。
用調速控制時，當流量要求從Ｑ減小到Ｑ１，由于阻力曲線Ｒ不變，泵的特性取決于轉速。如果把速度從Ｎ１００降到Ｎ８０，運行工況點則從Ａ點移到Ｃ點，揚程從Ｈ０下降到Ｈ２。
根據離心泵的特性曲線公式：
Ｐ＝ＱＨｒ／１０２η（１）
式中：Ｐ——水泵使用工況軸功率（ｋＷ）；
Ｑ——使用工況點的水壓或流量（ｍ３／ｓ）；
Ｈ——使用工況點的揚程（ｍ）；
ｒ——輸出介質單位體積重量（ｋｇ／ｍ３）；
η——使用工況點的泵效率（％）。
可求出運行在Ｂ點泵的軸功率和Ｃ點泵的軸功率分別為：
ＰＢ＝Ｑ１Ｈ１ｒ／１０２η （２）
ＰＣ＝Ｑ１Ｈ２ｒ／１０２η （３）
兩者之差為：
Δρ＝ＰＢ－ＰＣ＝Ｑ１（Ｈ１－Ｈ２）ｒ／１０２η（４）
也就是說，用閥門控制流量時，有ΔＰ功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，根據流量Ｑ、揚程Ｈ、功率Ｐ和轉速Ｎ之間的關系，有：
Q2 / Q1=N2 / N1
H2 / H1=(N2 /N1 )2 (5)
P2 / P1=( N2 / N1 )3
由（５）式可知，流量Ｑ與轉速Ｎ的一次方成正比；揚程Ｈ與轉速Ｎ的平方成正比；軸功率Ｐ與轉速Ｎ的立方成正比，即功率與轉速成３次方的關系下降。如果不是用關小閥門的方法，而是把電機轉速降下來，那么在轉運同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，從而獲得圖１中ＢＣ區(qū)域大小的節(jié)能效果，這就是水泵調速節(jié)能原理。
變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的轉速關系：
Ｎ＝６０ｆ１－ｓ／ｐ ６
式中：ｆ——水泵電機的電源頻率（Ｈｚ）；
ｐ——電機的極對數；
ｓ——轉差率。
由（６）式可知，均勻改變電動機定子繞組的電源頻率ｆ，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節(jié)能作用。
２ 水泵變頻調速控制系統的設計
變頻調速器的控制可以是自動的，也可以是手動的。目前，國內在水泵控制系統中使用變頻調速技術，大部分是在開環(huán)狀態(tài)下，即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達到調速目的。本水泵變頻調速控制系統設計，根據工廠生產工藝上所需冷卻水供水要求，考慮若干方面的因素，采用閉環(huán)調速控制。本水泵變頻調速控制系統原理框圖如圖２所示。
水泵控制系統主要由四部分組成：
（１）控制對象：電機功率１００ｋＷ，額定電流１８３Ａ；水泵配用功率１００ｋＷ，流量７９２ｍ／ｈ，軸功率８０．３ｋＷ，揚程３２．３ｍ。
（２）變頻調速器：選用ＦＲＮ１１０／Ｐ９Ｓ－４，適配通用電動機功率１１０ｋＷ，額定容量１６０ｋＶＡ，額定電流２１０Ａ。一般用于連續(xù)運轉的混合的變頻器容量選擇的基本方法是：變頻器額定輸出電流大于１．１倍電動機的額定電流。
（３）壓力測量變送器（ＰＴ）：選用ＤＬＫ１００－ＯＡ／０－１Ｍｐａ。用于控制水管出口壓力，并將壓力信號變換為４～２０ｍＡ的標準電信號，再輸入調節(jié)器。
（４）調節(jié)器（ＰＩＤ）：選用ＷＰ～Ｄ９０５，輸入信號４～２０ｍＡ，輸出為ＰＩＤ控制信號４～２０ｍＡ。
系統的控制過程為：由壓力測量變送器將水管出口壓力測出，并轉換成與之相對應的４～２０ｍＡ標準電信號，送到調節(jié)器與工藝所需的控制指標進行比較，得出偏差。其偏差值由調節(jié)器按預先規(guī)定的調節(jié)規(guī)律進行運算得出調節(jié)信號，該信號直接送到變頻調速器，從而使變頻器將輸入為３８０Ｖ／５０Ｈｚ的交流電變成輸出為０～３８０Ｖ／０～４００Ｈｚ連續(xù)可調電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機。
３ 水泵控制系統運行效果分析
水泵電機裝上變頻調速器后，節(jié)能效果非常顯著，經過實測，比未裝變頻器節(jié)約５３％左右的電能，而且生產工藝穩(wěn)定。采用變頻調速器前后實測的有關數據如表１、表２所示。
從表中數據對比結果分析可知：
（１）節(jié)能效果非常顯著，采用變頻調速技術后，提高了電機的功率因數，減少了無功功率消耗。月平均節(jié)約電能３１９１８ｋＷ．ｈ，月平均節(jié)電率為５３％，按目前工業(yè)電價０．６７元／ｋＷ．ｈ計，每月可以產生直接經濟效益２萬余元，具有明顯的經濟效益。
（２）采用變頻調速技術后，電機定子電流下降６４％，電源頻率下降４０％，水泵出水壓力降低５７％。由于電機水泵的轉速普遍下降，電機水泵運行狀況明顯改善，延長了設備的使用壽命，降低了設備的維修費用。同時，由于變頻器啟動和調速平穩(wěn)，減少了對電網的沖擊。
（３）采用變頻調速技術后，由于水泵出口閥全開，消除了閥門因節(jié)流而產生的噪音，改善了工人的工作環(huán)境。同時，克服了平常因調節(jié)閥故障對生產帶來的影響，具有顯著的社會效益。
（４）系統采用閉環(huán)控制，參數超調波動范圍小，偏差能及時進行控制。變頻器的加速和減速可根據工藝要求自動調節(jié)，控制精度高，能保證生產工藝穩(wěn)定，提高了產品的質量和產量。
（５）由于變頻調速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數字顯示功能，提高了電機水泵運行的可靠性。
綜上所述，變頻調速技術用于水泵控制系統，具有調速性能好、節(jié)能效果顯著、運行工藝安全可靠等優(yōu)點。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高勞動生產率、降低能耗具有重大的現實意義。可以說，變頻調速技術是一項利國利民、有廣泛應用前景的高新技術。
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