变频调速技术在水泵控制系统中的应用
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变频调速技术在水泵控制系统中的应用
核心提示: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高效节能技术。自80年代世界各国将其投入工业应来,它显示出了强劲...
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高效节能技术。自80年代世界各国将其投入工业应来,它显示出了强劲竞争力,其应用领域也迅速扩展。现凡是可变转速拖动电机,采用该项技术就能取非常显著节能效果。国家科委十分重视这一技术推广工作,已1995年将其列入国家级重点推广科技成果项目。
我国工业生产迅速发展,电力工业有了长足进步,但能源浪费却是相当惊人。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38%以上。这是许多风机、水泵拖动电机处于恒速运转状态,而生产中风、水流量要求处于变工况运行;还有许多企业进行系统设计时,容量选择较大,系统匹配不合理,往往是“大马拉小车”,造成大量能源浪费。,搞好风机、水泵节能工作,对国民经济发展具有重要意义。
1 水泵调速运行节能原理
图1为水泵调速时全扬程特性(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,阻力曲线R不变,泵特性取决于转速。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。
离心泵特性曲线公式:
P=QHr/102η 1
式中:P——水泵使用工况轴功率(kw
Q——使用工况点水压或流量(m3/s ;
H——使用工况点扬程(m);
r——输出介质单位体积重量(kg/m3 ;
η——使用工况点泵效率(%)。
可求出运行B点泵轴功率和C点泵轴功率分别为:
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,且阀门不断关小,这个损耗还要增加。而用转速控制时,流量Q、扬程H、功率P和转速N之间关系,有:
由(5)式可知,流量Q与转速N一次方成正比;扬程H与转速N平方成正比;轴功率P与转速N立方成正比,即功率与转速成3次方关系下降。用关小阀门方法,把电机转速降下来,那么转运同样流量情况下,原来消耗阀门功率就可以全避免,获图1中BC区域大小节能效果,这就是水泵调速节能原理。
变频调速基本原理是交流电动机工作原理中转速关系:
N=60f 1-s /p 6
式中:f——水泵电机电源频率(Hz);
p——电机极对数;
由(6)式可知,均匀改变电动机定子绕组电源频率f,就可以平滑改变电动机同步转速。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节能作用。
2 水泵变频调速控制系统设计
变频调速器控制可以是自动,也可以是手动。目前,国内水泵控制系统中使用变频调速技术,大部分是开环状态下,即人为工艺或外界条件变化来改变变频器频率值,以达到调速目。本水泵变频调速控制系统设计,工厂生产工艺上所需冷却水供水要求,考虑若干方面因素,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/P9S-4,适配通用电动机功率110kw,额定容量160kVA,额定电流210A。一般用于连续运转混合变频器容量选择基本方法是:变频器额定输出电流大于1.1倍电动机额定电流。
(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4~20mA标准电信号,送到调节器与工艺所需控制指标进行比较,出偏差。其偏差值由调节器按预先规定调节规律进行运算出调节信号,该信号直接送到变频调速器,使变频器将输入为380V/50Hz交流电变成输出为0~380V/0~400Hz连续可调电压与频率交流电,直接供给水泵电机。
3 运行效果分析
水泵电机装上变频调速器后,节能效果非常显著,实测,比未装变频器节约53%左右电能,生产工艺稳定。采用变频调速器前后实测有关数据如表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(上接第39页)
于电机水泵转速普遍下降,电机水泵运行状况明显改善,延长了设备使用寿命,降低了设备维修费用。同时,变频器启动和调速平稳,减少了对电网冲击。
(3)采用变频调速技术后,水泵出口阀全开,消阀门因节流而产生噪音,改善了工人工作环境。同时,克服了平常因调节阀故障对生产带来影响,具有显著社会效益。
(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。变频器加速和减速可工艺要求自动调节,控制精度高,能保证生产工艺稳定,提高了产品质量和产量。
(5)变频调速器具有十分灵敏故障检测、诊断、数字显示功能,提高了电机水泵运行可靠性。
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。大力提倡节约能源今天,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高科技节能装置,提高劳动生产率、降低能耗具有重大现实意义。可以说,变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景高新技术。