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變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應用

2013/11/27 9:13:42??????點擊:

變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應用

 

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)應用以來,它顯示出了強勁的競爭力,其應用領域也在迅速擴展。現(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驚人的。據(jù)有關資料報導,我國風機、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、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。

變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應用

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,當流量要求從Q減小到Q1,必須關小閥門。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次方的關系下降。如果不是用關小閥門的方法,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(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的標準電信號,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)換成與之相對應的4~20mA標準電信號,送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標進行比較,得出偏差。其偏差值由調(diào)節(jié)器按預先規(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,延長了設備的使用壽命,降低了設備的維修費用。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、有廣泛應用前景的高新技術(shù)。

 

 

 

 

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