1、变频调速技术在水泵控制系统中的应用作者：金传伟 毛宗源2009/6/3 8:32:08关键词： 变频调速技术 变频调速 控制系统 调速器 轴功率摘 要： 介绍了水泵变频调速控制系统的节能原理、系统结构及节能效果。系统运行结果表明：水泵采用变频调速控制，节能效果显著，具有明显的经济效益和社会效益。关键词： 变频器 水泵 节能 调速技术变频调速(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
2、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 3040%，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、
3、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(HQ)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：PQHr/102 (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
4、/s)；H使用工况点的扬程(m)；r输出介质单位体积重量(kg/m3)； 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：也就是说，用阀门控制流量时，有 P 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：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
5、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：N60f(1s)/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
6、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。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/P9S4，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 DLK10
7、0OA/01Mpa。用于控制水管出口压力，并将压力信号变换为 420mA 的标准电信号，再输入调节器。(4)调节器(PID)：选用 WPD905，输入信号 420mA，输出为 PID 控制信号420mA。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420mA 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 0380V/0400Hz 连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。3 运行效果分析水泵电机装上变
8、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，
9、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。参考文献1 刘兴驰.变频调速器在恒压供水系统中的应用.节能，1998(6)：19202 柯卫表.变频调速技术在恒压供水中的应用.电子与自动化，1999；128(1)：37383 佟纯原.近代交流调速.北京：冶金工业出版社，19874 许振茂等译.变频器使用手册.北京：兵器工业出版社，1992
