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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(xiàng)集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高效節(jié)能技術(shù)。自８０年代世界各國(guó)將其投入工業(yè)應(yīng)用以來(lái)，它顯示出了強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力，其應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴(kuò)展。現(xiàn)在凡是可變轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)電機(jī)，只要采用該項(xiàng)技術(shù)就能取得非常顯著的節(jié)能效果。國(guó)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(guó)家級(jí)重點(diǎn)推廣的科技成果項(xiàng)目。

      隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，電力工業(yè)雖然有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但能源的浪費(fèi)卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，我國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)總量約４２００萬(wàn)臺(tái)，裝機(jī)容量約１．１億千瓦。但系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(jī)、水泵的拖動(dòng)電機(jī)處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而生產(chǎn)中的風(fēng)、水流量要求處于變工況運(yùn)行；還有許多企業(yè)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(fèi)。因此，搞好風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能工作，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

１ 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理

      圖１為水泵調(diào)速時(shí)的全揚(yáng)程特性（Ｈ－Ｑ）曲線。用閥門控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Ｑ減小到Ｑ１，必須關(guān)小閥門。這時(shí)閥門的磨擦阻力變大，阻力曲線從Ｒ移到Ｒ′，揚(yáng)程則從Ｈ０上升到Ｈ１，運(yùn)行工況點(diǎn)從Ａ點(diǎn)移到Ｂ點(diǎn)。 

      用調(diào)速控制時(shí)，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(yùn)行工況點(diǎn)則從Ａ點(diǎn)移到Ｃ點(diǎn)，揚(yáng)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(diǎn)的水壓或流量（ｍ３／ｓ）；

Ｈ——使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（ｍ）；

ｒ——輸出介質(zhì)單位體積重量（ｋｇ／ｍ３）；

η——使用工況點(diǎn)的泵效率（％）。

可求出運(yùn)行在Ｂ點(diǎn)泵的軸功率和Ｃ點(diǎn)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(shuō)，用閥門控制流量時(shí)，有ΔＰ功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，根據(jù)流量Ｑ、揚(yáng)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(yáng)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(jī)轉(zhuǎn)速降下來(lái)，那么在轉(zhuǎn)運(yùn)同樣流量的情況下，原來(lái)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(dòng)機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系：

Ｎ＝６０ｆ１－ｓ／ｐ ６

式中：ｆ——水泵電機(jī)的電源頻率（Ｈｚ）；

ｐ——電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

ｓ——轉(zhuǎn)差率。

由（６）式可知，均勻改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率ｆ，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動(dòng)機(jī)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(jì)

      變頻調(diào)速器的控制可以是自動(dòng)的，也可以是手動(dòng)的。目前，國(guó)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(lái)改變變頻器的頻率值，以達(dá)到調(diào)速目的。本水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(duì)象：電機(jī)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(yáng)程３２．３ｍ。

（２）變頻調(diào)速器：選用ＦＲＮ１１０／Ｐ９Ｓ－４，適配通用電動(dòng)機(jī)功率１１０ｋＷ，額定容量１６０ｋＶＡ，額定電流２１０Ａ。一般用于連續(xù)運(yùn)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(dòng)機(jī)的額定電流。

（３）壓力測(cè)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(hào)變換為４～２０ｍＡ的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再輸入調(diào)節(jié)器。

（４）調(diào)節(jié)器（ＰＩＤ）：選用ＷＰ～Ｄ９０５，輸入信號(hào)４～２０ｍＡ，輸出為ＰＩＤ控制信號(hào)４～２０ｍＡ。

系統(tǒng)的控制過(guò)程為：由壓力測(cè)量變送器將水管出口壓力測(cè)出，并轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的４～２０ｍＡ標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標(biāo)進(jìn)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(jìn)行運(yùn)算得出調(diào)節(jié)信號(hào)，該信號(hào)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(jī)。

３ 水泵控制系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

      水泵電機(jī)裝上變頻調(diào)速器后，節(jié)能效果非常顯著，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，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(shí)測(cè)的有關(guān)數(shù)據(jù)如表１、表２所示。

從表中數(shù)據(jù)對(duì)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(jī)的功率因數(shù)，減少了無(wú)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(jià)０．６７元／ｋＷ．ｈ計(jì)，每月可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益２萬(wàn)余元，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 

（２）采用變頻調(diào)速技術(shù)后，電機(jī)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(jī)水泵的轉(zhuǎn)速普遍下降，電機(jī)水泵運(yùn)行狀況明顯改善，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備的維修費(fèi)用。同時(shí)，由于變頻器啟動(dòng)和調(diào)速平穩(wěn)，減少了對(duì)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(shí)，克服了平常因調(diào)節(jié)閥故障對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的影響，具有顯著的社會(huì)效益。

（４）系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，參數(shù)超調(diào)波動(dòng)范圍小，偏差能及時(shí)進(jìn)行控制。變頻器的加速和減速可根據(jù)工藝要求自動(dòng)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(cè)、診斷、數(shù)字顯示功能，提高了電機(jī)水泵運(yùn)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(yùn)行工藝安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。可以說(shuō)，變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)利國(guó)利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。