变频调速技术在水泵控制系统中的应用

 

水泵变频调速控制系统概述

      变频调速（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ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展。现在凡是可变转速的拖动电机，只要采用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设计时，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。

根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，根据流量Ｑ、扬程Ｈ、功率Ｐ和转速Ｎ之间的关系，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情况下，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根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；

ｓ——转差率。

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设计

      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，即人为地根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设计，根据工厂生产工艺上所需冷却水供水要求，考虑若干方面的因素，采用闭环调速控制。本水泵变频调速控制系统原理框图如图２所示。 

水泵控制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，并将压力信号变换为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 水泵控制系统运行效果分析

      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。采用变频调速器前后实测的有关数据如表１、表２所示。

从表中数据对比结果分析可知： 

（１）节能效果非常显著，采用变频调速技术后，提高了电机的功率因数，减少了无功功率消耗。月平均节约电能３１９１８ｋＷ．ｈ，月平均节电率为５３％，按目前工业电价０．６７元／ｋＷ．ｈ计，每月可以产生直接经济效益２万余元，具有明显的经济效益。 

（２）采用变频调速技术后，电机定子电流下降６４％，电源频率下降４０％，水泵出水压力降低５７％。由于电机水泵的转速普遍下降，电机水泵运行状况明显改善，延长了设备的使用寿命，降低了设备的维修费用。同时，由于变频器启动和调速平稳，减少了对电网的冲击。

（３）采用变频调速技术后，由于水泵出口阀全开，消除了阀门因节流而产生的噪音，改善了工人的工作环境。同时，克服了平常因调节阀故障对生产带来的影响，具有显著的社会效益。

（４）系统采用闭环控制，参数超调波动范围小，偏差能及时进行控制。变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节，控制精度高，能保证生产工艺稳定，提高了产品的质量和产量。

（５）由于变频调速器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能，提高了电机水泵运行的可靠性。

      综上所述，变频调速技术用于水泵控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。可以说，变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术。