離心泵變頻調(diào)速節(jié)能原理分析及變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jìn)步，但能源的浪費(fèi)卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，我國風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)總量約4200萬臺(tái)，裝機(jī)容量約1.1億千瓦。但系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(fēng)機(jī)、水泵的拖動(dòng)電機(jī)處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而生產(chǎn)中的風(fēng)、水流量要求處于變工況運(yùn)行；還有許多企業(yè)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(fèi)。因此，搞好風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能工作，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。
　1 水泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理
　　圖1為水泵用閥門控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2，必須關(guān)小閥門。這時(shí)閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R移到R′，揚(yáng)程則從Ha上升到Hb，運(yùn)行工況點(diǎn)從a點(diǎn)移到b點(diǎn)。
　　圖2為調(diào)速控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2，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n降到n′，性能曲線由（Q-H）變?yōu)椋≦-H）′,運(yùn)行工況點(diǎn)則從a點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從Ha下降到Hc。
　　根據(jù)離心泵的特性曲線公式：
　　N＝RQH／102η
　　式中：N——水泵使用工況軸功率（kw）
　　Q——使用工況點(diǎn)的流量（ｍ3／ｓ）??；
　　H——使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（ｍ）；
　　R——輸出介質(zhì)單位體積重量（kg／ｍ3）??；
　　η——使用工況點(diǎn)的泵效率（%）。
　　可求出運(yùn)行在b點(diǎn)泵的軸功率和c點(diǎn)泵的軸功率分別為：
　　Nb＝RＱ2Ｈb／１０２η 　
　　Nc＝RＱ2Ｈc／１０２η 　
　　兩者之差為： ΔN＝Nc—Nb=R×Ｑ2×（Ｈb－Ｈc）／１０２η
　　也就是說，用閥門控制流量時(shí)，有ΔN功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，由于流量Ｑ與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比；揚(yáng)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n成３次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)轉(zhuǎn)速降下來，那么在轉(zhuǎn)運(yùn)同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果，這就是水泵調(diào)速節(jié)能原理。
　　2 變頻調(diào)速的基本原理
　　變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系：
　　n＝６０ｆ（１－ｓ）／ｐ 　
　　式中：ｆ——水泵電機(jī)的電源頻率（Ｈｚ）；
　?。稹姍C(jī)的極對(duì)數(shù)；
　　由上式可知，均勻改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率ｆ，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動(dòng)機(jī)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。
　　3 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　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(dá)到調(diào)速目的. 系統(tǒng)主要由四部分組成：(1)控制對(duì)象(2)變頻調(diào)速器(3)壓力測(cè)量變送器（ＰＴ）(4)調(diào)節(jié)器（ＰＩＤ）.
　　系統(tǒng)的控制過程為：
　　由壓力測(cè)量變送器將水管出口壓力測(cè)出，并轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的４～２０ｍＡ標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，送到調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標(biāo)進(jìn)行比較，得出偏差。其偏差值由調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算得出調(diào)節(jié)信號(hào)，該信號(hào)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(jī)。
　　4 水泵變頻調(diào)速應(yīng)用的注意事項(xiàng)
　　水泵調(diào)速一般是減速問題。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，原來按工頻狀態(tài)設(shè)計(jì)的泵與電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)均發(fā)生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調(diào)速泵并列運(yùn)行的定速泵等因素，都會(huì)對(duì)調(diào)速的范圍產(chǎn)生一定影響。超范圍調(diào)速則難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。因此，變頻調(diào)速不可能無限制調(diào)速。一般認(rèn)為，變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50％，最好處于75％～100％，并應(yīng)結(jié)合實(shí)際經(jīng)計(jì)算確定。
　　 4.1 水泵工藝特點(diǎn)對(duì)調(diào)速范圍的影響
　　 理論上，水泵調(diào)速高效區(qū)為通過工頻高效區(qū)左右端點(diǎn)的兩條相似工況拋物線的中間區(qū)域。實(shí)際上，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過小時(shí)，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調(diào)速高效區(qū)萎縮,若運(yùn)行工況點(diǎn)已超出該區(qū)域，則不宜采用調(diào)速來節(jié)能了。
　　4.2 定速泵對(duì)調(diào)速范圍的影響
　　 實(shí)踐中，供水系統(tǒng)往往是多臺(tái)水泵并聯(lián)供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調(diào)速，所以一般采用調(diào)速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統(tǒng)中，應(yīng)注意確保調(diào)速泵與定速泵都能在高效段運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。此時(shí)，定速泵就對(duì)與之并列運(yùn)行的調(diào)速泵的調(diào)速范圍產(chǎn)生了較大的影響。主要分以下兩種情況：
　　 4.2.1 同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，雖然調(diào)度靈活，但由于無法兼顧調(diào)速泵與定速泵的高效工作段，因此，此種情況下調(diào)速運(yùn)行的范圍是很小的。
　　 4.2.2 不同型號(hào)水泵一調(diào)一定并列運(yùn)行時(shí)，若能達(dá)到調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)高效段右端點(diǎn)揚(yáng)程與定速泵高效段左端點(diǎn)揚(yáng)程相等。則可實(shí)現(xiàn)最大范圍的調(diào)速運(yùn)行。但此時(shí)調(diào)速泵與定速泵絕對(duì)不允許互換后并列運(yùn)行。
　　 4.3 電機(jī)效率對(duì)調(diào)速范圍的影響
　　 在工況相似的情況下，一般有N∝n3，因此隨著轉(zhuǎn)速的下降，軸功率會(huì)急劇下降，但若電機(jī)輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都會(huì)使電機(jī)效率下降過快，最終都影響到整個(gè)水泵機(jī)組的效率。而且自冷電機(jī)連續(xù)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)因風(fēng)量不足影響散熱，威脅電機(jī)安全運(yùn)行。