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離心泵變頻調速節能原理分析及變頻調速控制系統設計
點擊次數：785 發布時間：2014-1-9
隨著我國工業生產的迅速發展，電力工業雖然有了長足進步，但能源的浪費卻是相當驚人的。據有關資料報導，我國風機、水泵、空氣壓縮機總量約4200萬臺，裝機容量約1.1億千瓦。但系統實際運行效率僅為30～40%，其損耗電能占總發電量的38%以上。這是由于許多風機、水泵的拖動電機處于恒速運轉狀態，而生產中的風、水流量要求處于變工況運行；還有許多企業在進行系統設計時，容量選擇得較大，系統匹配不合理，往往是“大馬拉小車”，造成大量的能源浪費。因此，搞好風機、水泵的節能工作，對國民經濟的發展具有重要意義。
1水泵變頻調速運行的節能原理
圖1為水泵用閥門控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，必須關小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R移到R′，揚程則從Ha上升到Hb，運行工況點從a點移到b點。
圖2為調速控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉速。如果把速度從n降到n′，性能曲線由（Q-H）變為（Q-H）′,運行工況點則從a點移到c點，揚程從Ha下降到Hc。
根據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——使用工況點的流量（ｍ3／ｓ）；
H——使用工況點的揚程（ｍ）；
R——輸出介質單位體積重量（kg／ｍ3）；
η——使用工況點的泵效率（%）。
可求出運行在b點泵的軸功率和c點泵的軸功率分別為：
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，有ΔN功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，由于流量Ｑ與轉速n的一次方成正比；揚程Ｈ與轉速n的平方成正比；軸功率Ｐ與轉速n的立方成正比，即功率與轉速n成３次方的關系下降。如果不是用關小閥門的方法，而是把電機轉速降下來，那么在轉運同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節能效果，這就是水泵調速節能原理。
2變頻調速的基本原理
變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的轉速關系：
n＝６０ｆ（１－ｓ）／ｐ
式中：ｆ——水泵電機的電源頻率（Ｈｚ）；
ｐ——電機的極對數；
由上式可知，均勻改變電動機定子繞組的電源頻率ｆ，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節能作用。
3水泵變頻調速控制系統的設計
目前，國內在水泵控制系統中使用變頻調速技術，大部分是在開環狀態下，即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達到調速目的.系統主要由四部分組成：(1)控制對象(2)變頻調速器(3)壓力測量變送器（ＰＴ）(4)調節器（ＰＩＤ）.
系統的控制過程為：
由壓力測量變送器將水管出口壓力測出，并轉換成與之相對應的４～２０ｍＡ標準電信號，送到調節器與工藝所需的控制指標進行比較，得出偏差。其偏差值由調節器按預先規定的調節規律進行運算得出調節信號，該信號直接送到變頻調速器，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連續可調電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機。
4水泵變頻調速應用的注意事項
水泵調速一般是減速問題。當采用變頻調速時，原來按工頻狀態設計的泵與電機的運行參數均發生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調速的范圍產生一定影響。超范圍調速則難以實現節能的目的。因此，變頻調速不可能無限制調速。一般認為，變頻調速不宜低于額定轉速50％，處于75％～100％，并應結合實際經計算確定。
4.1水泵工藝特點對調速范圍的影響
理論上，水泵調速區為通過工頻區左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區域。實際上，當水泵轉速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調速區萎縮,若運行工況點已超出該區域，則不宜采用調速來節能了。
4.2定速泵對調速范圍的影響
實踐中，供水系統往往是多臺水泵并聯供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調速，所以一般采用調速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統中，應注意確保調速泵與定速泵都能在段運行，并實現系統*。此時，定速泵就對與之并列運行的調速泵的調速范圍產生了較大的影響。主要分以下兩種情況：
4.2.1同型號水泵一調一定并列運行時，雖然調度靈活，但由于無法兼顧調速泵與定速泵的工作段，因此，此種情況下調速運行的范圍是很小的。
4.2.2不同型號水泵一調一定并列運行時，若能達到調速泵在額定轉速時段右端點揚程與定速泵段左端點揚程相等。則可實現zui大范圍的調速運行。但此時調速泵與定速泵不允許互換后并列運行。
4.3電機效率對調速范圍的影響
在工況相似的情況下，一般有N∝n3，因此隨著轉速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都會使電機效率下降過快，zui終都影響到整個水泵機組的效率。而且自冷電機連續低速運轉時，也會因風量不足影響散熱，威脅電機安全運行。
1水泵變頻調速運行的節能原理
圖1為水泵用閥門控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，必須關小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R移到R′，揚程則從Ha上升到Hb，運行工況點從a點移到b點。
圖2為調速控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉速。如果把速度從n降到n′，性能曲線由（Q-H）變為（Q-H）′,運行工況點則從a點移到c點，揚程從Ha下降到Hc。
根據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——使用工況點的流量（ｍ3／ｓ）；
H——使用工況點的揚程（ｍ）；
R——輸出介質單位體積重量（kg／ｍ3）；
η——使用工況點的泵效率（%）。
可求出運行在b點泵的軸功率和c點泵的軸功率分別為：
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，有ΔN功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，由于流量Ｑ與轉速n的一次方成正比；揚程Ｈ與轉速n的平方成正比；軸功率Ｐ與轉速n的立方成正比，即功率與轉速n成３次方的關系下降。如果不是用關小閥門的方法，而是把電機轉速降下來，那么在轉運同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節能效果，這就是水泵調速節能原理。
2變頻調速的基本原理
變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的轉速關系：
n＝６０ｆ（１－ｓ）／ｐ
式中：ｆ——水泵電機的電源頻率（Ｈｚ）；
ｐ——電機的極對數；
由上式可知，均勻改變電動機定子繞組的電源頻率ｆ，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節能作用。
3水泵變頻調速控制系統的設計
目前，國內在水泵控制系統中使用變頻調速技術，大部分是在開環狀態下，即人為地根據工藝或外界條件的變化來改變變頻器的頻率值，以達到調速目的.系統主要由四部分組成：(1)控制對象(2)變頻調速器(3)壓力測量變送器（ＰＴ）(4)調節器（ＰＩＤ）.
系統的控制過程為：
由壓力測量變送器將水管出口壓力測出，并轉換成與之相對應的４～２０ｍＡ標準電信號，送到調節器與工藝所需的控制指標進行比較，得出偏差。其偏差值由調節器按預先規定的調節規律進行運算得出調節信號，該信號直接送到變頻調速器，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連續可調電壓與頻率的交流電，直接供給水泵電機。
4水泵變頻調速應用的注意事項
水泵調速一般是減速問題。當采用變頻調速時，原來按工頻狀態設計的泵與電機的運行參數均發生了較大的變化，另外如管路特性曲線、與調速泵并列運行的定速泵等因素，都會對調速的范圍產生一定影響。超范圍調速則難以實現節能的目的。因此，變頻調速不可能無限制調速。一般認為，變頻調速不宜低于額定轉速50％，處于75％～100％，并應結合實際經計算確定。
4.1水泵工藝特點對調速范圍的影響
理論上，水泵調速區為通過工頻區左右端點的兩條相似工況拋物線的中間區域。實際上，當水泵轉速過小時，泵的效率將急劇下降，受此影響，水泵調速區萎縮,若運行工況點已超出該區域，則不宜采用調速來節能了。
4.2定速泵對調速范圍的影響
實踐中，供水系統往往是多臺水泵并聯供水。由于投資昂貴，不可能將所有水泵全部調速，所以一般采用調速泵、定速泵混合供水。在這樣的系統中，應注意確保調速泵與定速泵都能在段運行，并實現系統*。此時，定速泵就對與之并列運行的調速泵的調速范圍產生了較大的影響。主要分以下兩種情況：
4.2.1同型號水泵一調一定并列運行時，雖然調度靈活，但由于無法兼顧調速泵與定速泵的工作段，因此，此種情況下調速運行的范圍是很小的。
4.2.2不同型號水泵一調一定并列運行時，若能達到調速泵在額定轉速時段右端點揚程與定速泵段左端點揚程相等。則可實現zui大范圍的調速運行。但此時調速泵與定速泵不允許互換后并列運行。
4.3電機效率對調速范圍的影響
在工況相似的情況下，一般有N∝n3，因此隨著轉速的下降，軸功率會急劇下降，但若電機輸出功率過度偏移額定功率或者工作頻率過度偏移工頻，都會使電機效率下降過快，zui終都影響到整個水泵機組的效率。而且自冷電機連續低速運轉時，也會因風量不足影響散熱，威脅電機安全運行。