变频调速在动力设备中的应用

1供水系统由定频到变频的技术改造变频调速在动力设备中的应用摘要：介绍了水泵供水系统由定频到变频调速控制系统的节能原理、基本工作原理及系统的控制过程，并且针对实际应用中应注意的问题进行了归纳总结。关键词：变频水泵节能调速技术一、概述某公司自来水由公司自建净水站由三台水泵供应，一台45KW水泵和二台22KW水泵，它们交替运行为厂区及生活区供水，用水量大时，开一台45KW水泵或二台22KW水泵，供水量小时，开一台22KW水泵，由于用户24小时用水量不断变化，仅仅靠调节电机的数量来调节水量，不便操作。并且靠调节电机的数量来调节水量变化幅度太大，与用水量的变化幅度达不到协调一致，为保障供水，经常会出现用水量小时，水泵满负荷工作，浪费大量电能。因此，搞好水泵的节能工作，对股份公司的发展具有重要意义。二、供水供水流程公司供水从净水站经三台供水泵分二路向公司供水，一路为经厂区水塔，再向公司供水，另一路为经厂区管道直接向公司供水，厂区水塔并联在厂区管网中，用水低峰期，净水泵向水塔补水，用水高峰期，净水站与水塔同时向管网补水，保证公司的正常用水。三、水泵变频调速运行的节能原理1.变频供水系统概述公司净水站变频控制系统以水塔水位为参考点，水塔水位最高为35米，最低水位为30米，当水塔水位达到35米时，控制信号传至净水站，二台并联小功率水泵电机变频减速；当水塔水位降至30米时，控制信号传至净水站，二台并联小功率水泵电机变频加速；当水2塔水位降至30米时，还继续下降，手动启动另一台大功率水泵，同时二台小功率水泵停运。整套变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元及微处理单元等组成。2.变频器的工作原理我们知道，三相交流电动机的转速表达式为：n=（1—s）60f/p（1）式中n—异步电动机的转速；f—三相电源的频率；s—电动机转差率；p—电动机极对数。由式上式可知，当电动机转差率s为常数时，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。3.性能比较及节能原理水泵电机变频前后，性能曲线如下：QQHHab管路曲线R管路曲线R'HbHaQ1Q20Q1Q2acHaHc性能曲线1性能曲线2管路曲线R阀门调节功耗（图1）变速调节功耗（图2）图1为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q2减小到Q1，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3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Q2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n降到n′，性能曲线由1下降到2，扬程则从Ha下降到到Hc，运行工况点从a点移到c点。根据离心泵的特性曲线公式：P=QHγ/102η式中：P—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）γ—输出介质单位重量体积（kg/m³）η—使用工况点的泵效率水泵在a点的轴功率和在c点的轴功率分别为：Pa=Q2Haγ/102ηPc=Q1Hcγ/102η所以a点与c点的轴功率差为:△P=Pa–Pc=(Q2Ha-Q1HC)γ/102η上式表明，用阀门控制流量时，有∆P功率被损耗掉了，并且随着阀门不断关小，损耗量不断增加。当采用变频调速控制时，流量Q、扬程H及转速N之间的关系如下：Q/Q=n/n′?H/H=（n/n′）²P/P=（n/n′）³从上式可以看出，流量Q与转速n的一次方成正比；扬程H与转n的二次方成正比；轴功率P与转n的三次方成正比。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，那么在同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可以全4避免，从而获得比较大的节能效果，这就是水泵调速节能的原理。4.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=(1-s)60f/p式中：f—水泵电机的电源频率p—电机的极对数s—转差率由上式可知，在转差率S变化不大的情况下，可以认为调节电动机定子电源频率时，电动机的转速n大致随之成正比，若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转速，电动机转速变慢，轴功率就相应减小，电动机功率也随之减小，这就是水泵变频调速节能作用。四、水泵变频调速控制系统的设计在交流异步电动机的各种调速方法中，变频调速是异步电动机的一种比较理想的调速方法，其调速性能最好，效率最高。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，即人为的根据工艺或外界条件来改变变频器的频率值，以达到调速目的。根据公司现有的供水情况，净水站供水泵也采用开环调速控制，变频调速控制系统如图3所示：5M1M2M345KW22KW22KW变频器1变频器2水位信号主电路控制主控制器图3变频调速控制系统图（1）主控制器：二台水泵电机M2、M3功率各为22KW，水泵流量为100m3/h，另一台水泵电机M1为45KW，水泵流量为150m3/h。工作时，由主控制器根据水位信号控制二台小流量泵与一台大流量泵交替工作;高峰期开大流量泵M1，低峰期开二台小流量泵M2、M3变频调速。（2）主电路控制部分：控制电路有接触器、热继电器、控制按钮等组成。（3）变频调节部分：选用二台变频器驱动二台22KW电动机。变频器主要构成如下：整流电流中间直流电路逆变电路控制电路50Hz交流电频率可调交流电6图4变频器主要构成（4）信号传送部分：将水塔水位信号通过变频器，将信号变换为4～20mA的标准信号，再输入调节器，通过外部信号对变频器进行启停控制。五、净水站运行效果分析净水站水泵电机自装上变频调速器后，节能效果非常显著，并且工艺环境稳定，具体效果如下：a)节能效果显著，水泵电机采用变频调速技术后，提高了电机的功率数，较少了无功功率。根据记载：采用变频调速技术后一年净水站用电量为317712KWh，而往年（变频改造前）一年，净水站用电量为378648KWh，一年期共节约电能约60739KWh，按工厂目前电价计算年节约费用约5.3万元，节能效率达到16.1%。b)采用变频调速技术后，在用水低峰期，水塔水位达到高限位35米后，电源频率下降，电机电流下降，水泵出水量减少，电机水泵运行状况明显改善，噪音降低，延长了电机的使用寿命，降低了设备的维修费用。同时，由于变频器启动和调速平稳，在整个转速范围内，电网的功率因数都可以保持较高的值，并可实现频繁启动和停车。c)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，也改善了员工的工作环境。d)变频调速控制精度高，故障检测诊断灵敏度高，数字显示功能强，提高了电机水泵运行得可靠性。六、结论综上所述，变频调速技术用于供水系统中，具有良好的调速性能，节能效果显著，并提高了生产效率，并具有运行工艺安全可靠得优点。在大力推广节约能源的今天，推广使用变频调速节能，对于提高劳动生产率、降低能耗有重大的现实意义。