變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)概述
變頻調(diào)速（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ節(jié)能技術(shù)是一項集現(xiàn)代先進電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高效節(jié)能技術(shù)。自８０年代世界各國將其投入工業(yè)應(yīng)用以來，它顯示出了強勁的競爭力，其應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴展?，F(xiàn)在凡是可變轉(zhuǎn)速的拖動電機，只要采用該項技術(shù)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(shù)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(chǎn)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(dāng)驚人的。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，我國風(fēng)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(tǒng)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(fēng)機、水泵的拖動電機處于恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，而生產(chǎn)中的風(fēng)、水流量要求處于變工況運行；還有許多企業(yè)在進行系統(tǒng)設(shè)計時，容量選擇得較大，系統(tǒng)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(fēng)機、水泵的節(jié)能工作，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。
１ 水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理
圖１為水泵調(diào)速時的全揚程特性（Ｈ－Ｑ）曲線。用閥門控制時，當(dāng)流量要求從Ｑ減小到Ｑ１，必須關(guān)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(diào)速控制時，當(dāng)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(zhuǎn)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(jù)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(zhì)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(guān)小，這個損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時，根據(jù)流量Ｑ、揚程Ｈ、功率Ｐ和轉(zhuǎn)速Ｎ之間的關(guān)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(zhuǎn)速Ｎ的一次方成正比；揚程Ｈ與轉(zhuǎn)速Ｎ的平方成正比；軸功率Ｐ與轉(zhuǎn)速Ｎ的立方成正比，即功率與轉(zhuǎn)速成３次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門的方法，而是把電機轉(zhuǎn)速降下來，那么在轉(zhuǎn)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(diào)速節(jié)能原理。
變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動機工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)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(shù)；
ｓ——轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。電動機轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。
２ 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計
變頻調(diào)速器的控制可以是自動的，也可以是手動的。目前，國內(nèi)在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)，大部分是在開環(huán)狀態(tài)下，即人為地根據(jù)工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達到調(diào)速目的。本水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)工廠生產(chǎn)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(diào)速控制。本水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理框圖如圖２所示。
水泵控制系統(tǒng)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(diào)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)電信號，再輸入調(diào)節(jié)器。
（４）調(diào)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(tǒng)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(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的４～２０ｍＡ標(biāo)準(zhǔn)電信號，送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標(biāo)進行比較，得出偏差。其偏差值由調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算得出調(diào)節(jié)信號，該信號直接送到變頻調(diào)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(diào)電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機。
３ 水泵控制系統(tǒng)運行效果分析
水泵電機裝上變頻調(diào)速器后，節(jié)能效果非常顯著，經(jīng)過實測，比未裝變頻器節(jié)約５３％左右的電能，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。采用變頻調(diào)速器前后實測的有關(guān)數(shù)據(jù)如表１、表２所示。
從表中數(shù)據(jù)對比結(jié)果分析可知：
（１）節(jié)能效果非常顯著，采用變頻調(diào)速技術(shù)后，提高了電機的功率因數(shù)，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(chǎn)生直接經(jīng)濟效益２萬余元，具有明顯的經(jīng)濟效益。
（２）采用變頻調(diào)速技術(shù)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(zhuǎn)速普遍下降，電機水泵運行狀況明顯改善，延長了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備的維修費用。同時，由于變頻器啟動和調(diào)速平穩(wěn)，減少了對電網(wǎng)的沖擊。
（３）采用變頻調(diào)速技術(shù)后，由于水泵出口閥全開，消除了閥門因節(jié)流而產(chǎn)生的噪音，改善了工人的工作環(huán)境。同時，克服了平常因調(diào)節(jié)閥故障對生產(chǎn)帶來的影響，具有顯著的社會效益。
（４）系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調(diào)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(jù)工藝要求自動調(diào)節(jié)，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
（５）由于變頻調(diào)速器具有十分靈敏的故障檢測、診斷、數(shù)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(diào)速技術(shù)用于水泵控制系統(tǒng)，具有調(diào)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(xiàn)代先進電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實意義?？梢哉f，變頻調(diào)速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。
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