变频调速在水泵中的应用
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变频调速在水泵中的应用
简单介绍变频调速技术的原理及其在水泵控制中的应用,通过实例分析采用变频调速装置后,对水泵在实际应用中的调节控制优点和注意事项,供有关人员参考。
标签：变频调速 水泵
1 问题的提出
水泵是工矿供水等企业生产的重要生产设备之一,如果把水泵管路组成的装置系统比喻为人体血液循环系统,那么水泵则是整个管路输送系统的“心脏”,为输送装置系统提供动力,水泵设备能否正常运行,直接影响整个装置系统。但由于管路输送装置系统布置的多样性,以及生产工艺的特殊要求,常常存在以下几种工况要求或问题:①管路出口压力随工艺压差变化;②管路输送距离随距离变化;③管路输送高度随高差变化;④季节变化或高低峰时差变化;⑤水泵性能参数予留裕量过大,造成应用中水泵偏离设计点。
这时,需要对水泵按需调整流量扬程工作点,以满足工艺流量扬程需要。如何采取一种灵活便捷方式,解决工艺中存在的问题,就是本文要讨论的问题。
2 传统解决方法
2.1 调节排出管路阀门 通过调节阀门出口大小,实现使用流量减小,即人为增加管道阻力。优点是简单、方便。缺点是调节性差、阀门磨损快。
2.2 液力偶合器调速 液力偶合器可在电动机转速恒定的情况下,无极调节泵的转速。优点是:功率适应范围大,可以满足不同功率的需要;可空载起动,不产生高次谐波,对电网地影响;调速范围为20%～97%,可以隔离电动机和泵的振动,缓和冲击。缺点是:有滑差损失,属低效调速装置;滑差功率损耗变为油的热量使油温升高,需要冷却设备;低速、小功率的液力偶合器造价较高;效率低,效率与转差成反比;液力偶合器达不到电机额定转速;调速精度差,稳定性差。
2.3 采用变极电机调速 变极调速通过改变异步电动机定子绕组的极对数,使电动机同步转速改变,达到调速的目的。其优点是:转差率小,转差损耗少,使用维护简单方便。缺点是:有级调速,不能平滑调速,而且级差较大。
2.4 电机串级调速 通过改变转差率来调节绕线式异步电动机转速的一种调节方式。其优点是:效率较高,效果较好;调速装置的容量与调速范围成正比,范围小时装置容量也小,成本较低。缺点是:可控硅串级调速功率因数低,产生高次谐波,对电网有污染;需对绕线式异步电动机进行改造。
以上方式均有效率低、调节范围小、速度慢、调节性能差、故障多等缺点。
无法达到高质量的调速性能。
3 变频调速的基本原理
交流异步电机的转速公式为:n=60f(1-S)/P
其中:S——转差率; P——电机极对数; f——电机定子绕组的电源频率。
由上式可以得出,有三条途径可以调节电机的转速。一是改变极对数P,其实质是改变定子旋转磁场的转速来实现,它只有有限的几档速度,不能实现无级调速,只能适用于调速要求不高且不需平滑调速的场合;二是改变转差率S,它是通过在转子回路中串电阻实现的,人为地将特性变软,低速时静差度大,调速范围不广,且低速时转子铜耗很大,效率低且发热严重,它仍然是有级调速,并且只能适用于绕线式异步电机调速;三是改变定子电源频率f,由于电源频率f与转速n成正比,变频调速就是通过改变电源频率来改变电机的转速,即通过改变定子供电频率来改变转速,从而实现电机的调速。变频调速具有效率、机械特性硬,调速范围广、精度高等特点,可以满足不同负载特性的适用要求。
4 变频调速技术在水泵中的应用
4.1 水泵工作原理 根据流体力学理论,水泵流量Q扬程H转速n有如下关系:流量Q∝n,扬程H∝n2,轴功率P∝n3。由此得出,水泵在变频调速运行时,如果外管路特性不变,这时流量与转速成一次方正比,压力与转速成二次方正比,轴功率与转速成三次方正比。
4.2 水泵调速的效果 当水泵性能曲线(泵扬程曲线)与管路特性曲线(装置扬程曲线)相交时,交点即为其工况点,如图1示A、B两点。如果水泵以某一恒定转速运行,只能靠出口阀门调整流量,流量减小时,泵扬程随曲线向上移动,如图1示A、C两工作点。此时,阀门的调整,相当于增减管阻损失以达到降低流量和管路终端出口压力,这样,电机轴功率减小有限。
通过改变水泵的转速,即水泵转速从n1降低调整到n2,水泵工作点从图1中的A点顺着管路特性曲线滑动调整到B点。可直观得出,流量和扬程均相应减小。如果频率降低5Hz,即转速下调10%,流量减少10%,扬程下降19%,电机功率下降27%;当频率下降10Hz,即转速下调20%,流量减少20%,扬程下降36%,电机功率下降49%。变频调节性能和节能的效果十分显著。
5 实例应用分析
某矿业公司洗矿车间洗后泥水自流到浓密池,经浓密后,底流经底流泵加压扬送到矿浆分配槽,然后经排泥加压泵加压,输送到排泥库。泥库坝随着泥沙的注入逐年增高。
排泥输送管道采用4条输送管线,2组工作,2组备用,与排泥加压泵为一一对
应关系,输送管道采用内径为250mm的无缝钢管,每条管线长约5260m(水平),泵出口与管线终点标高差115m。
浆体粒径:最大1mm,平均:0.078mm;
浆体浓度:Cw≥30%(计算取值30%);
浆体比重:1.235;矿泥真比重:2.74～2.84(计算取值2.8);
排泥加压泵对应选用4组,2组工作,2组备用,每组选用三台渣浆泵串联使用,排泥加压泵采自流灌入式。排泥加压泵选用型号为150ZGB,叶轮直径D2=750mm,性能为流量Q=400m3/h,H=90m,配Y355L-6电机,功率P=250KW,转速980r/min,电机额定电流I=522A。直联传动。每组泵的第三级采用变频调速装置。
控制要求:变频采用一拖二控制方式,常用泵故障时备用泵可以自动起动,也可手动起动。变频器出现故障时,可自动切换和手动切换旁路软起动器手动和自动起动常用泵或备用泵。控制柜变频器可由变频器电位器进行调速,也可由PLC进行远程调速,远程速度给定信号为4-20mA电流信号。
5.1 结果分析:泵系统安装完毕后,经现场逐级调试试运行,第三级变频调速至43.5Hz,控制电机传速在850r/min。①采用变频调速,很方便的调节出第三级泵所需扬程。不再受管路阻力损失计算裕量偏差,而造成的试运行时流量偏大运行、电机超电流现象。②采变频调速,第三级电机运行频率为43.5Hz,为日后提高泥库库容高度留下裕量。③采变频调速,整组泵运行平稳,无振动和噪声。电流表指示稳定。④采变频调速,与满频工作下比较,节电节能,节能达到34%。
5.2 注意事项
5.2.1 防止过流:发生过流故障可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均,输出短路等原因引起。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障,说明变频器逆变电路已坏,需要更换变频器。
5.2.2 防止过载:发生过载故障可能是加速时间太短、电网电压太低、负载过重等原因引起。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重,在水泵没有机械故障情况下,必须更换大功率的电机和变频器。
5.2.3 欠压:说明变频器电源输入部分有问题,需检查后才可以运行。
6 结束语
水泵控制中应用变频调速技术,能够平滑地实现水泵流量扬程参数随转速的改变而自行改变,很好地满足现场调节流量扬程的需要,降低电能损耗,降低人工成本,延长水泵使用寿命,成为水泵调速控制的主方向。
