變頻調速技術(shù)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節能技術(shù)是一項集現代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高效節能技術(shù)。自８０年代世界各國將其投入工業(yè)應用以來(lái)，它顯示出了強勁的競爭力，其應用領(lǐng)域也在迅速擴展?，F在凡是可變轉速的拖動(dòng)電機，只要采用該項技術(shù)就能取得非常顯著(zhù)的節能效果。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(diǎn)推廣的科技成果項目。

      隨著(zhù)我國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，電力工業(yè)雖然有了長(cháng)足進(jìn)步，但能源的浪費卻是相當驚人的。據有關(guān)資料報導，我國風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機總量約４２００萬(wàn)臺，裝機容量約１．１億千瓦。但系統實(shí)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(dòng)電機處于恒速運轉狀態(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(jìn)行系統設計時(shí)，容量選擇得較大，系統匹配不合理，往往是“大馬拉小車(chē)”，造成大量的能源浪費。因此，搞好風(fēng)機、水泵的節能工作，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。

１ 水泵調速運行的節能原理

      圖１為水泵調速時(shí)的全揚程特性（Ｈ－Ｑ）曲線(xiàn)。用閥門(mén)控制時(shí)，當流量要求從Ｑ減小到Ｑ１，必須關(guān)小閥門(mén)。這時(shí)閥門(mén)的磨擦阻力變大，阻力曲線(xiàn)從Ｒ移到Ｒ′，揚程則從Ｈ０上升到Ｈ１，運行工況點(diǎn)從Ａ點(diǎn)移到Ｂ點(diǎn)。 

      用調速控制時(shí)，當流量要求從Ｑ減小到Ｑ１，由于阻力曲線(xiàn)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(diǎn)則從Ａ點(diǎn)移到Ｃ點(diǎn)，揚程從Ｈ０下降到Ｈ２。

根據離心泵的特性曲線(xiàn)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(mén)控制流量時(shí)，有ΔＰ功率被損耗浪費掉了，且隨著(zhù)閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉速控制時(shí)，根據流量Ｑ、揚程Ｈ、功率Ｐ和轉速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(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門(mén)的方法，而是把電機轉速降下來(lái)，那么在轉運同樣流量的情況下，原來(lái)消耗在閥門(mén)的功率就可以全避免，從而獲得圖１中ＢＣ區域大小的節能效果，這就是水泵調速節能原理。

變頻調速的基本原理是根據交流電動(dòng)機工作原理中的轉速關(guān)系：

Ｎ＝６０ｆ１－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(dòng)機定子繞組的電源頻率ｆ，就可以平滑地改變電動(dòng)機的同步轉速。電動(dòng)機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動(dòng)機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節能作用。

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(dòng)的，也可以是手動(dòng)的。目前，國內在水泵控制系統中使用變頻調速技術(shù)，大部分是在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，即人為地根據工藝或外界條件的變化來(lái)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(chǎng)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(dòng)機功率１１０ｋＷ，額定容量１６０ｋＶＡ，額定電流２１０Ａ。一般用于連續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(dòng)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，再輸入調節器。

（４）調節器（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(guò)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，送到調節器與工藝所需的控制指標進(jìn)行比較，得出偏差。其偏差值由調節器按預先規定的調節規律進(jìn)行運算得出調節信號，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，節能效果非常顯著(zhù)，經(jīng)過(guò)實(shí)測，比未裝變頻器節約５３％左右的電能，而且生產(chǎn)工藝穩定。采用變頻調速器前后實(shí)測的有關(guān)數據如表１、表２所示。

從表中數據對比結果分析可知： 

（１）節能效果非常顯著(zhù)，采用變頻調速技術(shù)后，提高了電機的功率因數，減少了無(wú)功功率消耗。月平均節約電能３１９１８ｋＷ．ｈ，月平均節電率為５３％，按目前工業(yè)電價(jià)０．６７元／ｋＷ．ｈ計，每月可以產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益２萬(wàn)余元，具有明顯的經(jīng)濟效益。 

（２）采用變頻調速技術(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％。由于電機水泵的轉速普遍下降，電機水泵運行狀況明顯改善，延長(cháng)了設備的使用壽命，降低了設備的維修費用。同時(shí)，由于變頻器啟動(dòng)和調速平穩，減少了對電網(wǎng)的沖擊。

（３）采用變頻調速技術(shù)后，由于水泵出口閥全開(kāi)，消除了閥門(mén)因節流而產(chǎn)生的噪音，改善了工人的工作環(huán)境。同時(shí)，克服了平常因調節閥故障對生產(chǎn)帶來(lái)的影響，具有顯著(zhù)的社會(huì )效益。

（４）系統采用閉環(huán)控制，參數超調波動(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工藝要求自動(dòng)調節，控制精度高，能保證生產(chǎn)工藝穩定，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)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(shù)用于水泵控制系統，具有調速性能好、節能效果顯著(zhù)、運行工藝安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節約能源的今天，推廣使用這種集現代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節能裝置，對于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現實(shí)意義?？梢哉f(shuō)，變頻調速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應用前景的高新技術(shù)。