摘要：变频器的发展十分迅速，在工业领域里应用日益广泛。随着变频器技术的不断成熟，价格日趋降低，加之人们对变频器使用价值的认同，变频器调速系统，将越来越发挥出巨大的作用。本文从某纺织厂的风机水泵负载考察入手，对变频器在风机水泵负载中推广应用的可行性及其节能效果进行了较详细的分析，并提出了一些具体改造办法。
关键词：风机水泵；变频器控制；节能效果
1、前言
变频调速器是一种高效节能调速装置．它以DSP或微处理器为核心。为电动机运行多种电气控制和报警功能，保障设备安全，延长使用寿命。特别是它可以根据设定信号调节电动机转速，实现生产自动控制，节电效果显著，可有力地促进企业节能工作的开展，因而在电机供电控制中得到广泛应用。
2、风机与水泵的节能运行机理
2.1风机和水泵的特性
风机和水泵的电机轴动力与其流量（风量）Q，扬程（压力）H之间的关系为：
当流量由Q1变化到Q2时，电动机的转速由N1变为N2，此时，Q、H、P相对于转速的关系如下：
而电动机轴功率P和扭矩T的关系为：
由次van考文献可以看出，风机和水泵的轴动力即功率输出与转速的三次方成比例，而扭短与转速的二次方成比例。
2.2风机和水泵的节能效果
这里用一个在末端进行稳压控制的水泵控制过程为例，来说明用传统调节方法与用变频器调速控制方法比较其节水量和节能效果。
（1）电机恒速运行，由调节阀控制水量。如图1所示，管道阻力R大约与水量的二次方成比例变化，即调节阀门的开启程度，R会变化。关紧阀门时，管道阻力就增大，管道阻力由R1变到R2，在扬程曲线上则由A点移至B点。水量从Q1减少到Q4的同时，扬程却从H1上升到H5，此时电机轴动力从P1变化到P2。
图1
（2）用变频器调节电机的转速来控制水量随着水量的变化，我们要控制管道末端压力，使之保持恒定不变。将泵的转速相应地调到额定值的90%、80%和70%，便出现图1上虚线显示的特性。水量在Q2的时候，泵转速为90%；水量于Q3时，转速为80%。与之相应，扬程也分别下降到H1、H2、H3、H4，此时的电机轴动力从P1变化到P3。在电机变频调速的情况下，达到Q4、H4所需的电机轴功率输出为P3，而在电机恒速运转由阀门调节时所需轴动力，达到Q4、Q5运行点时，电机所需轴动力为P2。显然P2大于P3，其差值P2减P3就是电机调速控制所节约的功率。
3、变频调速器的应用
3.1控制流程简介
我厂生水泵采用一开一备的配置方式，共有两台泵。在正常情况下，一台运行另一台备用，1撑、2#泵的切换可通过DCS远程自动／现场控制柜人工手动实现。在供电控制方式上，采用两路电源供电，一路变频电源，一路工频电源。采用变频电源供电时，生水泵实行变频调速控制，主电源经过变频后送给电机；采用工频电源供电时，生水泵实行常规电气控制，主电源直接供给电动机。系统调节参数为管网压力，通过控制电机转速使压力稳定在给定值上，DCS上将新增一个PID调节器，采集管网压力信号，与变频器构成管网压力恒定控制系统。
3．2控制方案的实施
控制过程如下：在正常情况下DCS系统PID调节回路输出4—20mA调节信号到变频器作为频率设定信号，变频器按照给定信号输出相应频率的电压电源，从而调节电机转速，出口调节阀处于全开位置。以便实现变频器控制流量的目的。
3．3控制系统的组成
该控制系统包括变频控制系统和工频控制系统。变频控制系统由DCS中组态的控制器、调节阀、变频器、压力检测装置、水泵组成。工频控制系统由工频电源及水泵运行接触器、管网阀门、水泵组成。两个系统由手动进行切换。
3．4变频器的选型和主要参数设定
我们选用的变频器是深圳艾默生电气有限公司的EV2000系列变频器，适配电机132KW。电源输入为三相380V；频率50HZ／60HZ；输变容许值是电压±20％；电压失衡率<3％；频率±5％；输出电压：380V正弦波，频率可调0-400HZ。较进口变频器更能适合我国的电网情况。
为了保证电动机的可靠运行，变频器的主要参数设定如下：
（1）上限频率F11设定为电动机的额定频率50HZ，下限频率F12设定为5HZ。
（2）V、F输出特性中最高频率F04及基本运行频率F05均设为电机额定值50HZ。额定输出电压设定380V。
（3）V／F曲线模式F07设定为1（因为是风机水泵类平方转矩负载）。
（4）运行频率控制设定方式voo设定为3，模拟设定2（CCI—GND），用模拟电流，电压端子输入设定，范围DC0（2）一lOV／O（4--20mA，我们选择电流输入4-20mA，此时将控制板上的电压／电流选择插件CN10的跳线选择1侧。
（5）运行命令选择F02设定为1，外部端子运行控制有效，即用操作柱来启动变频器。
（6）停机方式F30设定为1，选择自由运行停止。
3．5投用效果
3.5.1有关参数和计算公式
电机型号：JO2-82-4，40kW；效率：0.91；用电单价为0.39元/kWh。满载电流：72A；空载电流15.1A；实测电流：调节风门为全关闭时为30A，满负荷时电流为42A；功率因数为0.89。负荷率等于运行电流除以电机额定电流；轴功率等于额定功率乘以负荷率。
3.5.2节能计算及比较
（1）采用工频电源直接驱动时的运转状态从风机说明书上得知：风机最大负荷时：风量为Q1=61600m3/h；此时管道阻力R1=145kg/m2。风压为H1=145kg/m2。轴功率为：P1=29.6kW。调节风门全关闭时电机轴功率=40＊30/72=16.67（kW）由风机性能曲线可知风压和流量在曲线上已找不到，风机运行效率低于经济运行范围，此时轴功率更小，无法计算。锅炉满负荷运行时的轴功率P2=40＊42/72=23.33（kW），由风机特性曲线可知，此时的风量为37200m3/h；压力为：205kg/m2。此时风道阻力R2=205kg/m2。
（2）采用变频器控制的目标是保持满负荷时的风量Q2=37200m3/h；H2=205kg/m2；因此，变频器运行时的管道阻力为R2。R2=R1＊（Q2/Q1）2=145＊（37200/61600）2=52.88kg/m2只要有以上风压，就能够维持风量。如果用变频控制风机的静压，即H2=R2可以得出转速的运行率为：N2/N1=（R2/H2）1/2=（52.88/205）1/2=0.51
假设变频器控制时的轴输出功率为P′2，因为轴输出功率与速度的三次方成比例，所以变频器控制的轴输出功率为：P′2=P1＊（N2/N1）3=29.6＊0.513=3.93（kW）
（3）将各轴功率换算成输入功率
a.满负荷时采用变频器控制时变频器输入功率：转矩率=T2/T1=P′2/P＊N1/N2
=3.93/40＊1/0.51=0.193N2时的电源频率=50＊0.51=25.5（Hz）b.满负荷时电动机的输入功率
由变频器（HFC-VW60LC）可知变频器加电动机综合效率大约为0.48；所以满负荷时采用变频器控制，变频器的输出功率为：3.93/0.48=8.19（kW），所以可节约功率为：Pr=23.43-8.19=15.24（kW）；节能效率=15.24/23.43=0.65
3.5.3实际节能情况分析
开一台炉的时间为（5，6，7，8，9）五个月，其中的检修日为80h，假日48h，五个月共有153天，所以单台炉运行时间为：153×24-（80+48）=3544（h）开两台炉的时间为（1，2，3，4，10，11，12）共七个月，其中假日、检修日为248h，两台炉运行时间为4840（h）。
所以年节电量为：15.24＊3544+15.24＊4840×2=201533.76（kWh）约合人民币78598.16（元）
4、结语
变频调速器投用后，控制回路的稳定性和可靠性比调节阀有明显提高．控制偏差保持在±1％以内，被控参数波动幅值较小。电机在变频调速器的控制下保持中速运行状态。在电机启动、控制过程中实行延时斜升、斜降，并且有输出短路、欠压、过流、过载过热等报警跳闸及在线故障诊断功能，保证其运行安全可靠，降低故障率，减少了设备损耗．节能效果相当明显。
参考文献：
[1]GB／T24625—2009，变频器供电同步电动机设计与应用指南[S]．
[2]段刚主编．PLC与变频器应用技术项目教程[M]，机械工业出版社．2010．
论文作者:袁新峰,张夺
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/30
标签：变频器论文; 电机论文; 风机论文; 水泵论文; 功率论文; 转速论文; 电动机论文; 《基层建设》2019年第11期论文;