供水泵房電機(jī)變頻改造應(yīng)用研究

　　 摘 要：變頻調(diào)速技術(shù)使得電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革，是國(guó)際上一項(xiàng)應(yīng)用最廣的高新技術(shù)。本文對(duì)水泵變頻節(jié)能原理及變頻調(diào)速方案進(jìn)行了分析，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例分析了供水泵房電機(jī)變頻改造后的效果，為以后變頻改造提供了借鑒。
　　關(guān)鍵詞：供水泵 變頻加速 變頻改造 電機(jī)變頻
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TH3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　能源消耗是一個(gè)企業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)，人口多、資源相對(duì)不足、環(huán)境承載能力弱，是中國(guó)的基本國(guó)情。為貫徹落實(shí)節(jié)約資源的理念，提高能源的利用率與節(jié)約能源受到廣泛的關(guān)注。因此，水泵房電機(jī)需進(jìn)行變頻改造，實(shí)現(xiàn)發(fā)展與節(jié)能同步。全國(guó)泵類(lèi)電機(jī)耗電相當(dāng)全國(guó)電力消耗的1/5，其中，水泵的效率很低，能量浪費(fèi)很?chē)?yán)重。
　　因?yàn)橛盟S時(shí)間與生產(chǎn)情況而變化，存在壓力不穩(wěn)，能量消耗高等問(wèn)題。為保證兩清水池水量平衡，操作人員與通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)水量的平衡。其缺陷是增加了勞動(dòng)量，并且很難保持供水壓力的恒定。為了解決以上問(wèn)題，本文采用變頻改造，變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有高供水質(zhì)量，強(qiáng)靈活性，小耗電量，電機(jī)起制動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)水錘效應(yīng)，占地面積小，節(jié)約能源，原材料消耗小，降低系統(tǒng)的維護(hù)工作量和故障率等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)改造可以解決以上問(wèn)題的同時(shí)，也達(dá)到節(jié)約能源的目的。2008年，巴陵石化有限公司對(duì)其供水車(chē)間成功的進(jìn)行了變頻改造，實(shí)現(xiàn)了工作效率高、故障少、節(jié)能等目標(biāo)。因此，對(duì)供水泵電機(jī)變頻改造探討是具有很大的實(shí)際意義和現(xiàn)實(shí)意義。
　　
　　1 變頻節(jié)能原理分析
　　1.1變頻器工作原理
　　變頻器是一種將電網(wǎng)電源整流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電供三相交流電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用的電源裝置，主要由功率模塊、超大規(guī)模專(zhuān)用單片機(jī)等構(gòu)成。不同品牌的變頻器由于采用不同的功率模塊、單片機(jī)以及控制方式，其性能、功能等分別適用于不同的場(chǎng)合。在變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T=Cm（U/f）2，式中Cm-電動(dòng)機(jī)常數(shù)，U-電源電壓，f-電源頻率，如果在改變電源頻率f的同時(shí)，同步的改變電源電壓U，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩T不變的調(diào)速特性。
　　1.2供水泵調(diào)速節(jié)能原理
　　變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是由提供變頻電源的變頻器所組成，變頻器通常可以分成交流--直流--交流變頻器和交流--交流變頻器兩大類(lèi)，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)所使用的變頻器主要為交--直--交變頻器。鑒于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本供述泵房電機(jī)變頻工程同樣采用交--直--交變頻器。
　　在各種變頻調(diào)速的應(yīng)用中，最節(jié)能的方式是用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。流量Q壓力H、軸功率Ps為泵的基本參數(shù)。如圖1為水泵調(diào)速時(shí)的Q-H曲線。水泵在A點(diǎn)的效率最高，輸出的流量為100%，軸功率Ps1與Q1、H1的乘積成正比。調(diào)節(jié)閥門(mén)可以調(diào)節(jié)流量從100%-50%，但是，此時(shí)管網(wǎng)阻力增加了，即使流量雖然降低了，壓力卻也增加了，而且水泵軸功率Ps2與BH2OQ3的面積的比，降低很少。但是如果采用變頻調(diào)速，如圖1所示，水泵的轉(zhuǎn)速會(huì)從n1降低至n2。從圖1可清晰地發(fā)現(xiàn)，在滿足相同流量Q2的前提下，水壓降至H3時(shí)，軸功率與CH3OQ2的比值明顯地降低了，這意味著軸功率得到了明顯的節(jié)約，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。
　　
　　
　　
　　圖1變頻調(diào)速H-Q曲線
　　1.3變頻改造優(yōu)點(diǎn)
　　控制方式通過(guò)采用變頻控制以取代原先的交流恒壓恒速控制，這種通過(guò)采用變頻控制的控制系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際情況制定供水流程，分段設(shè)置變頻頻率，進(jìn)而控制供水泵房電機(jī)的運(yùn)行速度，從而在達(dá)到充分高效排泥的同時(shí)節(jié)省水耗和能耗。較多工程實(shí)踐表明，供水泵房電機(jī)的控制方式通過(guò)改造后可有效地的延長(zhǎng)供水周期；減少了10%的用電量；提高了濾前水質(zhì)，而且有相當(dāng)顯著的節(jié)能降耗效果。
　　
　　2 改造方案
　　2.1常見(jiàn)泵類(lèi)調(diào)速方法比較
　　變頻調(diào)速。這種調(diào)速方法主要原理是通過(guò)改變供電電源頻率，機(jī)械性能最好，功率因素一般優(yōu)，節(jié)能效果顯著，調(diào)速范圍廣平滑，投資高，對(duì)電網(wǎng)有污染。
　　電磁調(diào)速，這種調(diào)速方法的電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器）三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。其主要原理是調(diào)節(jié)磚差耦合器的勵(lì)磁電流。機(jī)械性能差，功率因素良好，有節(jié)點(diǎn)效果，調(diào)速范圍一般平滑，投資一般，轉(zhuǎn)差損耗較大。
　　液力耦合器調(diào)速，這種調(diào)速方法的液力耦合器是一種液力傳動(dòng)裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱(chēng)工作輪，放在密封殼體中。主要原理是控制耦合泵液體流量，機(jī)械性能差，功率系數(shù)良好，有節(jié)點(diǎn)效果，調(diào)速范圍一般平滑，投資一般，舊設(shè)備改造困難。
　　串級(jí)調(diào)速，這種調(diào)速方法的串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。其主要功能是改變轉(zhuǎn)子反動(dòng)勢(shì)，機(jī)械性能一般，功率因素差，有較好的節(jié)電效果，調(diào)速范圍平滑較寬，投機(jī)較高，只能使用在繞組型電動(dòng)機(jī)。
　　調(diào)壓調(diào)速，這種調(diào)速方法的主要功能是改變電機(jī)端電壓，機(jī)械性能較差，功率因素良好，有節(jié)電效果，調(diào)速一般平滑，投資一般，調(diào)速效率低。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用只適合與小型鼠籠電機(jī)。
　　通過(guò)以上的五種方案比較表明，顯然變頻調(diào)速方案優(yōu)勢(shì)顯著，有很好的機(jī)械性能、最好的功率因素、節(jié)能效果顯著，調(diào)速平滑，其缺點(diǎn)就是造價(jià)高，產(chǎn)生高次諧波對(duì)電網(wǎng)有污染。
　　2.2常見(jiàn)供水變頻方案
　　變頻泵固定方式。在整個(gè)系統(tǒng)中只有一臺(tái)變頻器，其工作原理是變頻器連接第一臺(tái)水泵，其他水泵通過(guò)軟啟動(dòng)器和PLC鏈接，由變頻器控制加泵減泵。其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)出現(xiàn)失壓的現(xiàn)象，加入變頻器壞死，可以用軟啟動(dòng)器手動(dòng)啟動(dòng)水泵，所以備用啟動(dòng)不需要做。其缺點(diǎn)是投資較大。
　　變頻泵循環(huán)法方式。由PLC控制切換，變頻器控制輸出端口信號(hào)。變頻器鏈接在第一臺(tái)水泵上，當(dāng)需要加泵時(shí)，變頻器鏈接在第二臺(tái)，第一臺(tái)照常工作，還需加泵，變頻器鏈接在第三臺(tái)，一二臺(tái)照常工作，依照此原理進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)需要減泵時(shí)，系統(tǒng)關(guān)掉第一臺(tái)，還需減泵，系統(tǒng)再關(guān)掉第二臺(tái)，依次循環(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是可以保證一臺(tái)水泵變頻，無(wú)論用水量如何變化都可以保證管內(nèi)壓力恒定。其缺點(diǎn)是變頻切換過(guò)程當(dāng)中，變頻器需停止1s，可能造成短時(shí)失壓現(xiàn)象。
　　
　　3 工程實(shí)例
　　3.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介
　　廠區(qū)供水水泵采用降低電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的高效率變頻調(diào)速裝置進(jìn)行節(jié)能改造。項(xiàng)目完成時(shí)間：2011年7月至2011年12月。目的：一方面可以降低電機(jī)電流而保證電機(jī)安全運(yùn)行；另一方面可以讓電機(jī)與水泵自適應(yīng)地合理匹配，從而使系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行效果。預(yù)計(jì)投資：總?cè)萘?00 kW/套高效率變頻調(diào)速裝置大概報(bào)價(jià)是200萬(wàn)元人民幣，保守估計(jì)，整個(gè)工程總投入約230萬(wàn)元人民幣。
　　 3.2改造后的效果分析
　　 表1對(duì)改造前年用電量與改造后年用電量做了對(duì)比，得出改造后年節(jié)電量高達(dá)473040 kWh 。除此之外，表1電機(jī)功率與實(shí)際功率做了分析對(duì)比，從表1的分析結(jié)果表明，水泵電機(jī)采用降低電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的高效率變頻調(diào)速裝置后有15%節(jié)能。
　　采用降低電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的高效率變頻調(diào)速裝置可以對(duì)電機(jī)軟啟動(dòng)軟停止，有效地保護(hù)了電機(jī)，延長(zhǎng)了水泵電機(jī)的壽命；同時(shí)電機(jī)停止啟動(dòng)出現(xiàn)的水錘想象得到了消除。
　　不同水泵運(yùn)行時(shí)間基本相同，設(shè)備的綜合利用率提高了。同時(shí)，消除了同時(shí)無(wú)壓力的現(xiàn)象，水泵在流量臨界點(diǎn)工作時(shí)切換頻繁的現(xiàn)象得到消除，給設(shè)備的維護(hù)帶來(lái)了方便。
　　
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速已經(jīng)是國(guó)際高新技術(shù)，但是由于其成本較高，一直沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。所以，研究一種新型的、廉價(jià)優(yōu)質(zhì)和高性能的變頻器是重點(diǎn)。本文對(duì)供水泵房的電機(jī)變頻節(jié)能原理及變頻調(diào)速方案進(jìn)行了分析，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例分析了供水泵房電機(jī)變頻改造后的效果。工程實(shí)踐表明，經(jīng)改造后的變頻供水系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其節(jié)能效果明顯，優(yōu)點(diǎn)顯著，具有很大的使用價(jià)值，可為今后變頻改造提供了借鑒。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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