变频调速技术在水泵控制系统中的应用.doc

变频调速技术在水泵控制系统中的应用变频调速〔ＶａｒｉａｂｌｅＶｅｌｏｃｉｔｙＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ节能技术是一项集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术。自８０年代世界各国将其投入工业应用以来，它显示出了强劲的竞争力，其应用领域也在迅速扩大。现在凡是可变转速的拖动电机，只要采纳该项技术就能取得非常显著的节能效果。国家科委十分重视这一技术的推广工作，已在１９９５年将其列入国家级重点推广的科技成果项目。随着我国工业生产的迅速发展，电力工业虽然有了长足进步，但能源的浪费却是相当惊人的。据有关资料报导，我国风机、水泵、空气压缩机总量约４２００万台，装机容量约１．１亿千瓦。但系统实际运行效率仅为３０～４０％，其损耗电能占总发电量的３８％以上。这是由于许多风机、水泵的拖动电机处于恒速运转状态，而生产中的风、水流量要求处于变工况运行；还有许多企业在进行系统制定时，容量选择得较大，系统匹配不合理，往往是“大马拉小车〞，造成大量的能源浪费。因此，搞好风机、水泵的节能工作，对国民经济的发展具有重要意义。１水泵调速运行的节能原理图１为水泵调速时的全扬程特性〔Ｈ－Ｑ〕曲线。用阀门控制时，当流量要求从Ｑ减小到Ｑ１，必须关小阀门。这时阀门的磨擦阻力变大，阻力曲线从Ｒ移到Ｒ′，扬程则从Ｈ０上升到Ｈ１，运行工况点从Ａ点移到Ｂ点。用调速控制时，当流量要求从Ｑ减小到Ｑ１，由于阻力曲线Ｒ不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从Ｎ１００降到Ｎ８０，运行工况点则从Ａ点移到Ｃ点，扬程从Ｈ０下降到Ｈ２。依据离心泵的特性曲线公式：Ｐ＝ＱＨｒ／１０２η１式中：Ｐ——水泵使用工况轴功率〔ｋＷＱ——使用工况点的水压或流量〔ｍ３／ｓ；Ｈ——使用工况点的扬程〔ｍ〕；ｒ——输出介质单位体积重量〔ｋｇ／ｍ３；η——使用工况点的泵效率〔％〕。可求出运行在Ｂ点泵的轴功率和Ｃ点泵的轴功率分别为：ＰＢ＝Ｑ１Ｈ１ｒ／１０２η２ＰＣ＝Ｑ１Ｈ２ｒ／１０２η３两者之差为：Δρ＝ＰＢ－ＰＣ＝Ｑ１Ｈ１－Ｈ２ｒ／１０２η４也就是说，用阀门控制流量时，有ΔＰ功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，依据流量Ｑ、扬程Ｈ、功率Ｐ和转速Ｎ之间的关系，有：由〔５〕式可知，流量Ｑ与转速Ｎ的一次方成正比；扬程Ｈ与转速Ｎ的平方成正比；轴功率Ｐ与转速Ｎ的立方成正比，即功率与转速成３次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在转运同样流量的状况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，从而获得图１中ＢＣ区域大小的节能效果，这就是水泵调速节能原理。变频调速的基本原理是依据交流电动机工作原理中的转速关系：Ｎ＝６０ｆ１－ｓ／ｐ６式中：ｆ——水泵电机的电源频率〔Ｈｚ〕；ｐ——电机的极对数；由〔６〕式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率ｆ，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。２水泵变频调速控制系统的制定变频调速器的控制可以是自动的，也可以是手动的。目前，国内在水泵控制系统中使用变频调速技术，大部分是在开环状态下，即人为地依据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的。本水泵变频调速控制系统制定，依据工厂生产工艺上所需冷却水供水要求，合计假设干方面的因素，采纳闭环调速控制。本水泵变频调速控制系统原理框图如图２所示。系统主要由四部分组成：〔１〕控制对象：电机功率１００ｋＷ，额定电流１８３Ａ；水泵配用功率１００ｋＷ，流量７９２ｍ／ｈ，轴功率８０．３ｋＷ，扬程３２．３ｍ。〔２〕变频调速器：选用ＦＲＮ１１０／Ｐ９Ｓ－４，适配通用电动机功率１１０ｋＷ，额定容量１６０ｋＶＡ，额定电流２１０Ａ。一般用于连续运转的混合的变频器容量选择的基本方法是：变频器额定输出电流大于１．１倍电动机的额定电流。〔３〕压力测量变送器〔ＰＴ〕：选用ＤＬＫ１００－ＯＡ／０－１Ｍｐａ。用于控制水管出口压力，并将压力信号变幻为４～２０ｍＡ的标准电信号，再输入调节器。〔４〕调节器〔ＰＩＤ〕：选用ＷＰ～Ｄ９０５，输入信号４～２０ｍＡ，输出为ＰＩＤ控制信号４～２０ｍＡ。系统的控制过程为：由压力测量变送器将水管出口压力测出，并转换成与之相对应的４～２０ｍＡ标准电信号，送到调节器与工艺所需的控制指标进行比较，得出偏差。其偏差值由调节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号，该信号直接送到变频调速器，从而使变频器将输入为３８０Ｖ／５０Ｈｚ的交流电变成输出为０～３８０Ｖ／０～４００Ｈｚ连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。３运行效果分析水泵电机装上变频调速器后，节能效果非常显著，经过实测，比未装变频器节约５３％左右的电能，而且生产工艺稳定。采纳变频调速器前后实测的有关数