变频调速技术在水泵控制系统中的应用..doc

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 　　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30～40%，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、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(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：　　P＝QHr/102η　　　　　　　(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/s)；　　　　　H——使用工况点的扬程(m)；　　　　　r——输出介质单位体积重量(kg/m3)；　　　　　η——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ΔP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：　　N＝60f(1－s)/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/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的标准电信号，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4～20mA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