离心泵变频调速节能原理分析及变频调速控制系统设计
时间：2013-11-26 来源：扬子江泵业 浏览数：7708
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 水泵变频调速运行的节能原理
图1为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门。这时阀门的磨擦阻力变大，管路曲线从R移到R′，扬程则从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。
图2为调速控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从n降到n′，性能曲线由（Q-H）变为（Q-H）′,运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。
根据离心泵的特性曲线公式：
N＝RQH／102η
式中：N——水泵使用工况轴功率（kw）
Q——使用工况点的流量（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：
Nb＝RＱ2Ｈb／１０２η
Nc＝RＱ2Ｈc／１０２η
两者之差为： ΔN＝Nc—Nb=R×Ｑ2×（Ｈb－Ｈc）／１０２η
也就是说，用阀门控制流量时，有ΔN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，由于流量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n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，取得良好的节能效果，这就是水泵调速节能原理。
2 变频调速的基本原理
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
式中：ｆ——水泵电机的电源频率（Ｈｚ）；
ｐ——电机的极对数；
由上式可知，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。
3 水泵变频调速控制系统的设计
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. 系统主要由四部分组成：(1)控制对象(2)变频调速器(3)压力测量变送器（ＰＴ）(4)调节器（ＰＩＤ）.
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，从而使变频器将输入为３８０Ｖ／５０Ｈｚ的交流电变成输出为０～３８０Ｖ／０～４００Ｈｚ连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。
4 水泵变频调速应用的注意事项
水泵调速一般是减速问题。当采用变频调速时，原来按工频状态设计的泵与电机的运行参数均发生了较大的变化，另外如管路特性曲线、与调速泵并列运行的定速泵等因素，都会对调速的范围产生一定影响。超范围调速则难以实现节能的目的。因此，变频调速不可能无限制调速。一般认为，变频调速不宜低于额定转速50％，好处于75％～100％，并应结合实际经计算确定。
4.1 水泵工艺特点对调速范围的影响
理论上，水泵调速高效区为通过工频高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域。实际上，当水泵转速过小时，泵的效率将急剧下降，受此影响，水泵调速高效区萎缩,若运行工况点已超出该区域，则不宜采用调速来节能了。
4.2 定速泵对调速范围的影响
实践中，供水系统往往是多台水泵并联供水。由于投资昂贵，不可能将所有水泵全部调速，所以一般采用调速泵、定速泵混合供水。在这样的系统中，应注意确保调速泵与定速泵都能在高效段运行，并实现系统优。此时，定速泵就对与之并列运行的调速泵的调速范围产生了较大的影响。主要分以下两种情况：
4.2.1 同型号水泵一调一定并列运行时，虽然调度灵活，但由于无法兼顾调速泵与定速泵的高效工作段，因此，此种情况下调速运行的范围是很小的。
4.2.2 不同型号水泵一调一定并列运行时，若能达到调速泵在额定转速时高效段右端点扬程与定速泵高效段左端点扬程相等。则可实现大范围的调速运行。但此时调速泵与定速泵绝对不允许互换后并列运行。
4.3 电机效率对调速范围的影响
在工况相似的情况下，一般有N∝n3，因此随着转速的下降，轴功率会急剧下降，但若电机输出功率过度偏移额定功率或者工作频率过度偏移工频，都会使电机效率下降过快，终都影响到整个水泵机组的效率。而且自冷电机连续低速运转时，也会因风量不足影响散热，威胁电机安全运行。
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