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基于变频调速技术在水泵控制系统中的应用摘要本文介绍了交流变频调速的原理、节能原理及变频调速技术在水泵控制系统中的应用。
应用结果表明,水泵采用变频调速控制,节能效果显著,具有明显的经济效益和社会效益。
关键词变频调速技术;水泵;节能中图分类号tv7 文献标识码a 文章编号1674-6708(2010)26-0181-020 引言在工业生产中,风机和水泵的应用范围非常广泛,其电能消耗和相关设备的节流损失及维护维修费用占到生产成本的7%~25%,是一笔不消的生产费用开支。
随着经济改革的不断深入,节能降耗已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。
而20世纪80年代初发展起来的变频调速技术是一项集现代电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术,它使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可按照生产工艺要求调整转速输出,从而降低电动机功耗达到系统高效运行的目的。
目前,变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。
卓越的调速性能、显著的节电效果,改善现有设备的运行工况,提高系统的安全可靠性和设备利用率,延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。
它顺应了工业生产自动化的要求,开创了一个全新的智能电机时代。
1 交流变频调速原理三相异步电动机可用下式表示:式中:n—电动机转速,r/min;n1—电动机的同步转速,r/min;p —磁极对数;f—电源频率,hz;s—转差率。
由上式可以得出,三相异步电动机的调速方法有3种,分别是:变极调速、变转差率调速和变频调速。
但是前两种方法有许多缺点,若变极调速,则调速范围较小,不能实现无级调速;若变转差率调速,低速时转差率大,转差损耗也大,则效率低;若用变频调速,从高速到低速均可保持有限的转差率,因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。
所以,我们认为交流变频调速是三相异步电动机调速的一种理想方式。
交流异步电动机变频调速可以分为两大类:交—直—交变频调速与交—交变频调速。
变频调速技术在水泵控制系统中的应用摘要水泵调频是利用调节电机输入电源频率的原理进行调节水泵流量的自动化控制技术，较先前的阀门调节而言，具有节约能源、工作效率高、噪音污染小等特点。
本文在此对变频调速技术在水泵控制中的原理和其应用效益进行了分析和论述。
关键词水泵调频；变频调速技术；水泵控制中图分类号tm921 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）52-0175-01随着社会的进步，工业技术得到了快速的发展，在大多数的工业生产、居民生活过程中，水泵得到了广泛的普及和应用。
在日常的工业生产或者是生活中，水资源的用量一般会根据实际工业、生活应用环境而定，而传统的水泵对水资源的控制基本上都是横流量控制，显然对于大多水企业或者是社区来说都存在着经济、水资源浪费现象。
随着高频电力电子技术的发展，使得电动机及其拖动负载的转速能够根据实际和工作需求的变化而变化，从而有效的降低了能源耗损，目前电频调速技术已经在工业水泵控制中得到了广泛的推广与应用。
1 变频调速原理我们通常使用的水泵电机为三相异步电机，其转速公式为： n = (1-s) ，式中n 为三相电机的转速，f 为电机电源频率，p 为电机磁极对数， s 为转差率。
通过上面的公式可以知道磁极对数、转差率、电源频率这三大因素都能影响到三相电机的转速。
通过实践工作表明，如果通过改变电机磁极对数进行调速，调速范围不太大，不能够有效的进行无极调速；如果采用电机转差率进行调速，可以有效的提高调速范围，但是在低速情况下，转差率比较大，电机的效率比较低；如果采用调节电源频率进行调速，无路是高频到低频，还是从低频到高频都能够保持有限的转差率，电机效率比较高，而且随着电机电源频率的变，化，其调速范围比较广，而且精度比较高。
在实际工作中，我们也采用交流调频技术来调节电机转动速度。
电机变频调速可以分为两种情况，一种是交流转直流，最后直流转交流进行调速，另外一种就是交流直接转交流调速，实际工作中应用比较广泛的是前者。
变频调速技术在水泵控制中的应用研究随着工业技术的不断进步和发展，变频调速技术在水泵控制中的应用越来越多，其灵活性、调节性能优越，可以有效地提高水泵的控制精度和效率，同时还可以保护水泵的安全运行。
因此，对于水泵行业来说，深入研究变频调速技术在水泵控制中的应用具有重要意义。
1. 变频调速技术的基本原理及特点变频调速技术在水泵控制中的应用需要了解其基本原理及特点。
变频调速技术是通过快速控制电机电源的电压和电流频率，实现电机转速的控制，从而达到调节流量和压力的目的。
与传统的调节方式相比，变频调速技术具有以下特点：（1）调节性能优越。
采用变频调速技术可以实现水泵连续无级变速，流量和压力精度高，且响应速度快，可以满足不同工况下水泵的流量和压力要求。
（2）环境友好。
传统的调节方式多采用减少阀门开度的方式来调节流量和压力，这样会产生大量的损失水流能量，同时也会使水泵处于工作状态下，造成耗能和浪费。
而变频调速技术运行时，可以根据不同的工况合理调控电机转速，实现节能与减排。
（3）保护机械设备。
水泵运行时，可能会遭受来自外界的压力，变频调速技术可以使水泵在安全范围内稳定工作，保护水泵设备免受损害。
2. 变频调速技术在水泵控制中的应用变频调速技术在水泵控制中的应用主要体现在以下两个方面：（1）变频调速与水泵的匹配。
传统的水泵在运行时，稳态工作点和设计点的效率高，因此能耗也相应较低。
而当出现设备停机、电网压力突变、水泵进入非稳态工况时，水泵效率会显著下降，因而能耗与运行成本也会增加。
而采用变频调速技术，可以同时根据不同工况下的需求，调节水泵的流量和压力，从而使水泵的效率最大程度保持在高效工作状态下，并减少运行成本。
（2）水泵系统的控制。
水泵系统是一个由水泵、控制阀、流量计和传感器等组成的完整系统。
采用变频调速技术，可以使水泵和其他组成部分高效匹配，实现自动化控制，使得整个系统的运行流程更加智能化、稳定化。
3. 案例分析：变频调速技术在污水处理厂水泵控制中应用的效果为进一步了解变频调速技术在水泵控制中的应用效果，我们可以通过一个案例进行分析。
变频调速节能控制在水泵电机系统中的应用研究摘要:建筑给排水系统中水泵电机的控制和稳定运行,是确保建筑给排水安全可靠、节能经济高效稳定运行的重要保障性基础。
为解决原有给排水系统中水泵电机运行中存在的电能浪费严重、起动冲击较大、综合使用寿命较短等问题,针对建筑给排水系统中3台(两用一备运行方式)220kW水泵电机的现场供水工艺要求,提出了将水泵电机控制方式由常规直接起动,改变为以变频器和PLC为控制核心的变频调速节能控制方案。
从运行数据统计分析结果表明,水泵电机采用变频调速节能控制方案,达到了节能改造性能要求,实时平滑调控和节能效果均十分明显。
关键词:水泵电机变频调速节能变频器
高能耗已成为建筑给排水系统水泵电机安全可靠、节能经济的高效稳定调节运行的一大瓶颈,提高水泵电机的运行可靠性、调控平衡性能、以及电能综合利用效率,对低碳绿色环保新社会中的建筑节能降耗有着非常重要的作用。
因此,如何结合电机调节运行控制的基本原理,采取有效的技术升级改造措施,降低水泵电机的运行费用就成为建筑节能降耗迫切需要解决的问题。
从目前国内外有关水泵电机调控技术来看,较为有效的节能降耗技术措施就是采用变频调速自动控制技术,对常规的继电器额定容量控制技术进行技术升级改造[1]。
1 水泵电机变频调速控制原理
在变频调速控制系统中,水泵电机控制系统在从煤矿配电网系统中获得频率为50Hz的交流电源后,就会通过PLC控制器发出对应命令,经变频器内部整流电路、滤波电流等相关电路转换成直流电源后,再经变频器控制单元的直流逆变电路转换成频率f和电压U均满足电机实时调控需要的交流电源,直接供给电机拖动系统中提供动力,经电机拖动系统转换输出所需的转矩,实现对水泵电机拖动系统的动态变频调节控制。
对于水泵电机拖动系统而言,根据整个拖动系统需求侧需水量的动态波动变化,通过PLC控制器和变频器组成变频调速控制系统中的相关功能单元的动态调节,来优化水泵电机的实时调节运行的工况曲线,达到节能降耗动态调控的目的[2]。
水泵电机节能经济运行工况曲线,具体详见图1所示。
图1中可以直观看出,水泵电机在正常运行时,其额定运行工况点处于A点,当用户需求水量随负荷波动从降低到的过程中,如采用常规阀门静态调节控制,则整个水泵拖动系统的供水管网自身所具备的管阻特性将会从(阀门全开)向(阀门关小)方向进行实时调节,对应工况点将会从A点调到B点,整个调节过程中功率由OQ1AH1变为OQ2BH2,变化较小,但电机电能转换功率(效率)却随之降低非常多。
另外,水泵电机运行工况的突然从A点跃变到B点,将会给整个供水管网带来非常大的冲击,会影响到需求侧的水量的正常供应,影响用户安全可靠、
节能经济的正常高效生产。
采用PLC和变频器对电机拖动系统进行技术升级改造后,可以根据需求侧用户用水量的波动情况,实时动态调节水泵电机的输入电源频率来进行运行转速调节。
在图1中,当整个电力拖动系统需求侧需水量由降低到的变化过程中,水泵电机的实时调节运行工况曲线,金贵从额定转速的平滑过渡到运行工况曲线上,对应工况点将由A点平滑过渡到C点。
按照面积估算法可以获得,当水泵电机拖动系统采用基于PLC和变频器的变频调速控制系统的技术升级改造后,其在同等流量变化调节下,整个电机拖动系统理论节约的电能资源为图1中阴影部分H2CBH2所示,不仅其能进行平滑稳定调节控制,同时整个系统节能节电效果十分明显。
2 水泵电机变频调速节能改造技术要点
建筑给排水系统中水泵电机采取基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造中,其节能实现的基本控制要求包括以下多个方面。
(1)节能控制系统应具备抑制电磁干扰的相应有效技术措施,能够防止非正弦波干扰水泵电机控制系统中的电脑主机、计时器、传感器等精密仪器设备的高效稳定工作,也就是采用变频调速控制系统进行技术升级改造过程中,不能改变水泵电机控制系统的其它功能单元和元器件设备的正常稳定运行性能参数。
(2)在变频调速节能运行过程中,当水量检测系统出现故障时,变频调速控制系统将以电机拖动系统上限频率进行恒功率运行,以确保系统最大的水量。
当变频调速控制系统出现故障时,能够发出声响及指示灯指示,提醒运行管理人员进行相关设备性能检查,同时起动原控制系统(如:软起动、继电器直接起动等)。
3 水泵电机变频调速节能改造效益分析
3.1 电机变频调速节能改造方案
建筑给排水系统中共采用3台(两用一备运行方式)的水泵机组,其轴功率为203kW,配置异步电动机型号为Y355M1-2-220kW/380V F 级IP55,功率为220kW。
为了提高给排水电机拖动系统运行的经济可靠性,结合建筑给排水系统的实际运行工况,遵循“最小改动、最大可靠性、最优经济性”等电机拖动系统技术升级改造基本原则,决定采用基于PLC与变频器的变频调速控制对给排水电机拖动系统进行技术升级改造,1#水泵电机采取变频运行方式,2#水泵电机采取工频运行方式。
3.2 水泵电机变频调速升级改造节能效益分析
为了分析采用变频调速技术升级改造后,水泵电机拖动系统所取得的节能经济效益,将2台工作用水泵电机中的1台采取工频调节运
行工况,另外1台采取变频调速运行工况。
2台参数相同水泵电机的实际运行数据比对,如表1所示。
从表1可知,在各项运行技术指标和环境均相同情况下,1#水泵电机相比2#水泵电机其调节运行工况性能要更加平滑稳定,平均运行电流降低到287A,比工频运行额定电流的416A,要直接降低129A,理论节电效率为:
实际节电效率为48%,节能节电效果十分明显。
4 结语
采用基于PLC与变频器的变频调速控制,能有效控制给排水系统的电机工作效率,降低电机运行能耗,达到增收节支、降低运营成本的目的。
同时,采取变频调速技术升级改造后,能够实现电机的软起动和设备软运行,并实现了电机拖动系统过压、过流、缺相等多种保护功能,消除了电机起动、调节过程中的电流、电弧冲击问题,避免了运行工况突然改变水垂现象的发生,大幅度降低了设备冲击冲击损害,降低了温升及运行噪,可以大大延长电机、接触器、以及给排水系统中的轴承、阀门、管道等机械设备的综合使用寿命。
参考文献
[1] 王新亭,李庆红.变频调速技术在风机水泵节能改造中的应用[J].自河南工程学院学报(自然科学版),2010,22(3):20-22.
[2] 张文海,谭红军,车吉善,等.电动给水泵变频调速改造可行性研究[J].电机控制与应用,2008,35(4):42-45.。
