水泵变频改造原理及效果
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水泵变频改造原理及效果

时间:2018-9-18 作者:nflixin 分享到:

水泵变频改造原理及效果

 

工业企业生产设备的负荷大部分是交流异步电动机,耗电量约占企业全部电耗的65%左右,尤其水泵类负荷的效率比较低,在2002年中国加入世贸组织之后,企业必须通过降低成本来提高经济效益。才能增强竞争力,在降低生产成本中,节约用电是一个重要的经济环节。例如某一供水站,供水系统是根据用水量的需求进行调节,是采用调整泵出门阀门来调节流量,需要专人值守,在不同的情况下,开关阀门。劳动强度较大,同时,由于阀门的强制节流使泵形成旋涡冲击,产生了强烈的振动和噪声,对泵的使用寿命、维护修理都加大了不利的损耗。再就是由于电动机的转矩基本恒定,这种调节方式形成的供水压力较高,造成严重的节流功率损失,泵的效率降低,造成电力的浪费。

随着电力技术的发展,变频调速技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的。

           用户用水的多少是经常变动的,因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上,即用水多而供水少,则压力低;用水少而供水多,则压力大。保持供水压力的恒定,可使供水和用水之间保持平衡,即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提高了供水的质量。

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时,若供水压力不足或或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。

一、水泵恒压供水的变频应用方式

通常在同一路供水系统中,设置多台常用泵,供水量大时多台泵全开,供水量小时开一台或两台。

在采用变频调速进行恒压供水时,就用两种方式:其一是所有水泵配用一台变频器;其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号,通过PID运算自动调整变频器输出频率,改变电动机转速,最终达到管网恒压的目的.

二、恒压供水系统特点

1、节电:优化的节能控制软件,使水泵实现最大限度地节能运行。

2、节水:根据实际用水情况设定管网压力,自动控制水泵出水量,减少了水的跑、漏现象。

3、运行可靠:由变频器实现泵的软起动,使水泵实现由工频到变频的无冲击切换,防止管网冲击、避免管网压力超限,管道破裂。

4、控制灵活:手动选择工作方式,工变频切换.即使变频出现故障可切换成工频不影响工作。

三、PID控制原理

根据反馈原理:要想维持一个物理量不变或基本不变,就应该引这个物理量与恒值比较,形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定,因此就必须引入水压反馈值与给定值比较,从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统,现在控制和PID相结合的方法,在压力波动较大时使用模糊控制,以加快响应速度;在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法,同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明,使用这种方法是可行的,而且造价也不高。

要想维持供水网的压力不变,根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件,由于供水系统管道长、管径大,管网的充压都较慢,故系统是一个大滞后系统,不易直接采用PID调节器进行控制,而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。

四、水泵变频节能改造减速的机泵原理

根据交流电动机工作原理中的转速关系,n=60f(1-s)/p,从公式中得出:均匀改变电动机定子绕组的电源频率,就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢,轴功率就相应减少,电动机输入功率也随之减少,这就是水泵调速的节能作用。

交流电动机转速物性为一条稍向下倾斜的曲线,如图A所示,调速时的特性仍为稍向下倾斜曲线,是在不同频率时相互平等的一组曲线,如图B所示:

从图 A、图B中可以看出,变频器的调速特性基本保持了电动机固有的转速特性,它是一组不同频率时相互平行的特性曲线。

变频调速具有以下优点:

①转差率小,转差损失小,效率可高达90~95%以上。

②实现平滑地无级调速,精度高,调速范围宽(0~100%),频率变化范围大(0~50Hz)。

③起动转矩大(可达额定值的1.1倍),实现软启动减轻启动电流的冲击。

④提高电网侧功率因数。

⑤变频器可采用高速度的16位CPU与专用的大规模集成电路配合,用软件实现V/5自动调整,具有与计算机可编程控制器联机控制的功能,容易实现生产过程的自动控制。

⑥安装容易,调试方便,操作简单。

⑦不仅适用于水泵,风机类负荷的节能调速,而且也适用于旧设备的改造,对改善工艺条件,提高产品质量都尤其明显

四、变频控制原理

变频调速来实现恒压供水,与用调节阀门来实现恒压供水相比,节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是: 1、 起动平衡,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击; 2、 由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等的使用寿命; 3、 可以消除起动和停机时的水锤效应;

一般地说,当由一台变频器控制一台电动机时,只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时,原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时,可考虑适当减小变频器的容量,但应注意留有足够的容量。

虽然水泵在低速运行时,电动机的工作电流较小。但是,当用户的用水量变化频繁时,电动机将处于频繁的升、降速状态,而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流,导致电动机过热。因此,电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升,变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的,所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。在主要功能预置方面,最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下,升、降速时间应尽量设定得短一些,以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能时,只要在预置时设定PID功能有效,则所设定的升速和降速时间将自动失效。

五、水泵应用变频节能原理

一般使用的水泵设备设计的流量,通常都超过实际需要的流量,又因为工艺要求需要在运行中变更流量、流量,而目前,采用档板或阀门来调节量的调节方式较为普遍,虽然方法简单,但实际上是通过人为增加阻力的办法达到调节的目的,这种节流调节方法浪费大量电能,回收这部分电能损耗会收到很大的节能效果。

对于水泵来说,流量Q与转速N成正比,扬程H与转速N的二次方成正比,而轴功率与P与转速N的三次方成正比,下表列出了它们之间的关系变化:

       从上表中可见用变频调速的方法来减少水泵流量进行节能改造的经济效益是十分显著的,当所需流量减少,水泵转速降低时,其电动机的所需功率按转速的三次方下降;

当水泵转速下降到额定转速的10%即F=45Hz时,其电动机轴功率下降了27.1%,水泵节电率为27.1%;当水泵转速下降到额定转速的20%即F=40Hz时,其电动机轴功率下降了48.8%,水泵节电率为48.8%;当水泵转速下降到额定转速的30%即F=35Hz时,其电动机轴功率下降了65.7%,水泵节电率为65.7%;

计算公式:冷冻和冷却水泵节电率=[1-(变频器运行频率÷50Hz)3]×100% 例如:二、冷冻和冷却水泵节电率的计算:水泵转速降低30%,即变频器运行频率=35Hz 水泵节电率=[1-(35Hz÷50Hz)3]×100%=65.7%

水泵转速降低20%,即变频器运行频率=40Hz 水泵节电率=[1-(40Hz÷50Hz)3]×100%=48.8%

循环水泵的流量也是经常变动的,由于流量变化是经常变化的,所以就需要经常调节由阀门调节,由于一般控制室到阀门的距离较远,操作十分不便,也不可能调节得当,流量调节过大,浪费了电能,流量调节过小,无法满足设计的工艺要求,因此为了提高控制水平,保证冷却效果达标,必须对流量进行有效的调节,调节的方式,必须方便、灵敏、可靠。为了提高循环循环水泵的控制水平,又能达到节能的效果,采用变频调速方式对流量进行调节市首选的方案。

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