基于變頻技術(shù)的水泵節(jié)能控制系統(tǒng)的研究

0 引言

目前，在國民經(jīng)濟(jì)各部門中水泵與風(fēng)機(jī)的應(yīng)用面非常廣，數(shù)量極多，耗電量大。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，全國電力總量的40%左右被風(fēng)機(jī)、水泵消耗。當(dāng)前，風(fēng)機(jī)、水泵依然還有非常大的節(jié)能空間，其節(jié)能的焦點(diǎn)問題是如何最大程度提高水泵和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率?，F(xiàn)在，大約70%的泵類、風(fēng)機(jī)負(fù)載中仍采用閥門或風(fēng)擋的方法來調(diào)節(jié)流量，導(dǎo)致電機(jī)長時(shí)間處在輕載或空載的運(yùn)行狀態(tài)，造成能源的大量浪費(fèi)。正因如此，在全國普及節(jié)能潛力巨大的變頻調(diào)速技術(shù)有著重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及現(xiàn)實(shí)意義。

1 水泵節(jié)能的原理分析

可以通過兩種方法來調(diào)節(jié)水流量，其一是通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變(通常為額定轉(zhuǎn)速)即閥門控制法。另一種方法是通過改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變(通常為最大開度)即轉(zhuǎn)速控制法。前者易于理解，不再多述。后者是利用水泵電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，從而達(dá)到對水流量的控制以及行之有效的節(jié)能效果。接下來重點(diǎn)對轉(zhuǎn)速控制法的節(jié)能原理進(jìn)行闡述。

1.1 供水功率的比較

(1)若水泵、風(fēng)機(jī)能夠符合三個(gè)相似條件即運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、幾何相似，那么它可以應(yīng)用相似定律。對于一臺(tái)水泵而言，在不改變流體的密度ρ，而僅改變轉(zhuǎn)速的條件下，它的性能參數(shù)遵守比例定律：

由上式可以看出，泵的流量、揚(yáng)程以及軸功率分別與其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的平方、轉(zhuǎn)速的立方成正比。

圖1是水泵變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的節(jié)能原理圖。圖中曲線①為水泵在額定轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程特性曲線，其與管阻特性曲線②交于A 點(diǎn)，對應(yīng)流量QA,此時(shí)水泵軸功率P 與矩形QA AHTAO 的面積成正比。若欲將流量減半，使用閥門控制時(shí)，則新的管阻特性曲線③與揚(yáng)程特性曲線①相交于B 點(diǎn)，此時(shí)水泵軸功率P 正比于矩形QB BHTBO 的面積。由圖可見，兩者面積相差不大，如果采用調(diào)速方法將水泵轉(zhuǎn)速降為曲線④，管路特性仍為曲線②，故工作點(diǎn)移至C 點(diǎn)。此時(shí)與水泵軸功率P 成正比的矩形的面積QBCHTCO 與QA AHTAO 相比明顯減少，這說明軸功率下降了很多，節(jié)能效果十分明顯。

1.2 水泵工作效率的對比

水泵的工作效率ηP 等于水泵的供水功率PG 和水泵軸功率PP 之比，可表示為：

式中：水泵的供水功率PG 是根據(jù)實(shí)際供水的流量揚(yáng)程算得的功率，是供水系統(tǒng)的輸出功率。水泵的軸功率PP 是指水泵軸上的輸入功率。

水泵的相對工作效率η- 的近似計(jì)算公式如下：

式中：Q-,n-,η- 分別是流量、轉(zhuǎn)速、效率的相對值(實(shí)際值與額定值之比的百分?jǐn)?shù));C1,C2 為常數(shù)，并且C1 - C2 = 1 .

由上式可知，當(dāng)使用閥門控制法降低流量時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速保持恒定，即n- = 1,Q- n-的值減小，圖2中的曲線①即為它的效率曲線。如果流量Q- = 0.6,其效率減小至點(diǎn)B.由此可見，隨著水泵流量的降低，其工作效率發(fā)生了十分明顯的下降。若采用轉(zhuǎn)速控制法，閥門開度是恒定不變的，流量和轉(zhuǎn)速成正比，即Q- n- = 恒量，由圖2可知當(dāng)流量Q- = 0.6時(shí)，效率即為曲線②的C 點(diǎn)，與曲線①上A 點(diǎn)(Q- = 1.0時(shí))的效率是完全相等的。由此得出結(jié)論：利用轉(zhuǎn)速控制法時(shí)，水泵的工作效率始終保持最優(yōu)狀態(tài)。

2 變頻調(diào)速運(yùn)行的原理

2.1 變頻調(diào)速的原理

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

式中：n0 為同步轉(zhuǎn)速;f 為電源頻率;p 為電動(dòng)機(jī)極對數(shù);s 為轉(zhuǎn)差率。改變電源頻率，同步轉(zhuǎn)速也隨之改變。

2.2 對變頻調(diào)速的基本要求

(1)基頻f1N 以下主磁通-m 保持不變。

3 水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式

圖4 所示為變頻恒壓供水系統(tǒng)圖。其原理是由壓力傳感器測得供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力，輸出的電壓信號(hào)送入信號(hào)處理器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入PLC,在PLC中由控制程序進(jìn)行壓力的比較，即給定壓力和管網(wǎng)壓力的比較，回送至信號(hào)處理器，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后，輸出到變頻器，對變頻器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到恒壓的目的。同時(shí)PLC根據(jù)壓力差，輸出控制信號(hào)，執(zhí)行相關(guān)接觸器的動(dòng)作。

5 結(jié)語

不能簡單地把變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于所有供水系統(tǒng)，其用于水泵節(jié)能也是有限制條件的。對于管路損失占總揚(yáng)程比例較大的供水系統(tǒng)，或流量頻繁變化且幅度較大，以及流量明顯偏小的系統(tǒng)適用于變頻調(diào)速[10].若靜揚(yáng)程占總揚(yáng)程比例較大以及流量較穩(wěn)定的供水系統(tǒng)則不能使用變頻調(diào)速技術(shù)。因此一定要考慮實(shí)際情況，采用與之相對應(yīng)節(jié)能方法，才能行之有效。