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  文件名称:  变频调速技术应用于供水系统的节能
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          据有关资料统计,泵类和风机负载的耗电量约占国内总发电量的1/2 以上,用于泵和风机的交流感应电动机是主要的电力负荷。在工业生产过程中,为了满足生产工艺过程的各种要求,许多用交流电动机拖动的生产机械需要调速运行,通常采用机械调速或电气调速方式。机械调速有机械变速箱、摩擦传动、液力传动、液力耦合器等调速装置,电气调速有调压调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等调速装置。与机械调速相比,电气调速以其优良的调速性能、方便的调节手段、较高的电能利用率等特点而在生产设备中得到了广泛应用。
        近十几年来,随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论的发展,交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频调速以其效率高、调速范围大、调速精度高、特性硬、无级调速等优点,在各种交直流调速系统中,尤其是节能技术改造中的应用面正在不断扩大,应用也从简单的节能向改进工艺提高产品质量与产量的综合型方向发展。在设计实施过程中,经常遇到的问题是使用变频调速是否节约能源,能否满足生产工艺要求等。本文通过分析变频调速技术节能与负载特性的关系,具体以供水系统为例,阐述节能与工艺的关系,同时给出了一些定量计算值。
1 、变频调速技术的节能原理与负载关系
        据统计,国内每年的发电量有一半消耗在电机上,其中绝大部分的电机为结构简单、方便实用、中国体育网官方网站量很少的鼠笼式电机,例如各种泵用电机、制冷式压缩机用电机、多功能天车、加料小车传动电机、各种输送设备用电机等。由于技术上的原因,在20 世纪80 年代前对较大功率的鼠笼式电机(几个kW 以上)进行调速控制一直是人们梦想的事情。近20 年来,随着电力电子技术的发展与自动控制理论的进步,采用变频调速技术的通用型变频调速装置(VVVF)的价格大幅下降,在很多工厂用变频调速装置对鼠笼式电机进行调速控制已成为现实。
        并不是在所有情况下用变频调速装置对鼠笼式电机进行调速控制都可以取得很好的节能效果,这要取决于电机负载的性质。一般将电动设备负载性质分成三类,如表1所列。

表1 负载性质分类

2各类负载的节能分析
        为了分析简便,假定电动机的输入功率等于这类装置的轴功率,即不考虑装置效率的影响。由于恒转矩负载的轴功率正比于电动机转速 ,
如转速下降10% 、则功率亦下降10% 。
        在理论上改变离心泵转速时、泵特性有如下关系式
                      Q1/Q2 =n1/n2           (1)
                     H1/H2=(n1/n2)2       (2)
                     P1/P2=(n1/n2)3       (3)

        式中:Q 为流量,H 为扬程,P 为泵轴功率,n 为泵转速,下标1、2 表示泵的两种不同转速。
        从式(3) 可以看出,当流量从100% 下降到80% 时,功率将从100% 下降到51.2%,可以节省48.8% 的功率,节能效果非常显著。
3变频调速在铸造车间恒压供水系统上的应用
3.1 1变频器在恒压供水系统中的选用

        该系统分别有3 台30 kW 热泵、3 台55 kW 冷泵,二用一备,采用ABB 企业的ACS601-0011-3 带内置PID 功能的变频器,可编程控制器选用西门子S7-214-1BC10-0XB0 型,具体原理框图如图1 所示。图1 中M1~M3 为电机,P1~P3 为水泵,JC1~JC6 为电机起、停、互相切换的交流接触器,由可编程控制器定时切换。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID 调节器给出的,所以对可编程控制器来讲,既要有模拟量输入接口,又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/ 输出接口的可编程控制器价格很高,这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/ 数字量输出的可编程控制器,则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM 调制板,将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制变频器输出频率的模拟信号,这样可编程控制器的成本非但没有降低,还增加了连线和附加设备,降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/ 输出的可编程控制器和一个PID 调节器,其成本也和带模拟量输入/ 输出的可编程控制器差不多。所以,在变频调速恒压给水控制设备中,PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

图1 新型变频恒压供水系统


        由于PID 运算在变频器内部,这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID 算法的编程,而且参数的在线调试非常容易,这不仅降低了生产成本,而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID 调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑,稳定。同时,为了保证水压反馈信号值的准确、不失真,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算,使系统的调试非常简单、方便。
3.2 运行方式
        该系统有手动和自动两种运行方式。
3.2.1 手动运行
        按下启动或停止按钮控制水泵启停,可根据需要分别控制热、冷泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。
3.2.2 自动运行
        系统运行由变频柜与循环转换柜,水泵、水流、压力传感装置等构成的闭环系统进行自动控制,即由PID 调节器接收来自压力传感器的反馈信号,与给定的压力参数进行比较运算,将调节参数送给变频器进行转速调节。
       当合上自动开关后,首先由变频柜软启动1# 水泵,变频器频率从零升到50 Hz,水泵达到额定转速, 此时供水压力若达不到设定的压力,系统自动将1# 水泵切换到工频恒速运行,变频器再软启动2# 水泵,进行调速供水,如还达不到设定压力,系统又自动将2# 水泵切换到工频恒速运行,变频器又再软启动3# 水泵,直至达到设定压力,变频器始终停留在某一水泵上调速运行。如运行中变频泵运行频率降至设定的*低频率,供水水压仍大于设定压力时,系统将自动停止*先启动的水泵,如仍大,再停**次启动的水泵。在夜间运行时,当*后一台变频泵运行频率降到设定的*低频率时供水压力还大于设定的压力,变频装置将进入休眠状态,系统自动停止水泵工作。此时由压力传感装置监视管网压力,若低于设定压力的0.05MPa,变频装置自动唤醒,启动水泵补水。该系统就根据压力传感器反馈信号不断进行调整,达到恒压供水的目的。
3.3经济效益分析
        目前该厂铸造车间应用3 台55 kW 三相异步电机驱动的冷泵供应冷却水,3 台30 kW 热泵抽取冷却铝锭的回流热水,达到循环供水。平常竖井及横铸机组未启动时用水量较小,一般只开一台冷泵一台热泵,水压限于0.4 MPa 左右。由于泵的功率较大,在该条件下工作时间较长,采用变频调速节能效果非常显著。
改造前每年用电量约为(55+30)×24×365 =744 600 kW·h
泵类变频调速节能可达到20%~30%,月均值在25%;电费价格按0.2977 元/kW·h 计算,则每年可节约电费744 600×25%×0.2977 =55 416.86 元
        采用变频调速, 根据管路水流量或压力大小的变化自动调节电机转速,保证了水压处于设定值,达到了改善供水工艺条件的目的。除了节约电能外,还防止了由于人为操作阀门跟不上水压的变化(特别是在交接班时),引起铸造厂房“水淹”事故的发生。
4 结语
        1)恒压供水采用变频器改变电动机转速达到水泵出口压力稳定,比靠人工操作调节阀门开启度控制水泵出口压力的方式,具有降低管道阻力,大大减少截流损失的效能。
        2)当供水系统要求泵出口流量小于额定流量时,则泵转速自动降低,不仅节能可观,而且还减少了轴承的磨损和发热,从而延长了泵和电动机的机械使用寿命,综合经济效益明显。
        3)因实现了恒压自动控制,不需要操作人员对阀门频繁操作,降低了人员的劳动强度,节省了人力。
        4)水泵电动机采用变频软启动方式,按设定的加速时间加速,避免了电动机启动时的电流冲击对电网电压造成的波动,同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。
        5)节电效果明显,收回投资快,且长期受益,其产生的社会效益也是非常巨大的。

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