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        變頻器在泵站節(jié)能降耗中的應(yīng)用

        2014-01-09 03:11:18徐龍
        關(guān)鍵詞:節(jié)能降耗泵站變頻器

        徐龍

        【摘 要】變頻器的發(fā)展十分迅速,應(yīng)用日益廣泛,并且在泵站中變頻技術(shù)也逐步得到了應(yīng)用。本文就變頻器在泵站節(jié)能降耗中的應(yīng)用進(jìn)行了探討,詳細(xì)介紹了變頻器的工作原理,分析了變頻器在供水行業(yè)中的應(yīng)用,以期能為變頻器在泵站節(jié)能降耗中得到更好的應(yīng)用而提供參考。

        【關(guān)鍵詞】變頻器;節(jié)能降耗;泵站;應(yīng)用

        在傳統(tǒng)的給水工程中,各種系統(tǒng)參數(shù)隨工況的變化而不斷變化,為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地控制,只能采用控制閥門(mén)或擋板開(kāi)度的方法,人為增減阻力,使大量能量損失在閥門(mén)和擋板上。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日漸成熟,在泵站的給水工作中可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)時(shí)間等參數(shù),從而具有明顯的節(jié)能特性。目前,在給水泵站采用變頻調(diào)速技術(shù),對(duì)水泵實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制很好地達(dá)到了節(jié)能和穩(wěn)定運(yùn)行的目的。本文就變頻器在泵站節(jié)能降耗中的應(yīng)用進(jìn)行了探討,以期能為變頻器在泵站節(jié)能降耗中得到更好的應(yīng)用而提供參考。

        1.變頻器的組成

        一般家用或工廠電氣設(shè)備多采用交流電源,但這些設(shè)備的控制部分也少不了要采用直流電。把交流變?yōu)橹绷鞣Q(chēng)為整流,把直流變?yōu)榻涣鞣Q(chēng)為逆變,用于逆變的裝置稱(chēng)為逆變器,逆變器是變頻器的核心部件,如圖1。

        變頻器是由主回路和控制回路兩部分組成的。

        主回路由整流器(整流模塊)、濾波器(濾波電容)和逆變器(大功率晶體管模塊)三個(gè)主要部件構(gòu)成??刂苹芈酚蓡纹瑱C(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和光隔離電路組成。主回路各點(diǎn)的波形,除輸入電壓外,均不是光滑的正弦波。輸入電流為雙脈沖波,輸出電壓為方波,輸出電流為含有多種高次諧波的正弦波。

        目前新型變頻器一般都帶有通信接口,可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)變頻器的通信功能,可將上位機(jī)的運(yùn)行指令下達(dá),也可將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)上傳。在需要高精度控制時(shí),可將反饋信號(hào)反饋到變頻器,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

        2.變頻器的控制

        在風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)用的變頻器采用VVVF控制即恒U/f 控制。就是在改變頻率的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓,使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定,在較寬的范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷篣和頻率f 的比所以稱(chēng)為恒U/f 控制。變頻器與電動(dòng)機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖2。

        在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí),通常要考慮的一個(gè)重要因素是希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值,并保持不變。在交流異步電動(dòng)機(jī)中,磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的。三相異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)有效值是Eg= 4.4 f1N1K1Φm,其中Eg是氣隙磁通在定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),單位是V;f1為定子頻率,單位是Hz;N1是定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù);K1為繞組系數(shù);Φm為每極氣隙磁通,單位是Wb。由此可知,只要控制好Eg和f1,便可以達(dá)到控制磁通Φm的目的。若忽略定子壓降,則繞組外電壓U1≈Eg,U1/f1= 4.4N1K1Φm,因此,變頻器要維持磁通只要使U1與f1成比例即可。

        3.變頻器的應(yīng)用與節(jié)能作用

        在自來(lái)水供應(yīng)中,由于用戶(hù)對(duì)水量需求的變化,管道中自來(lái)水的流量和壓力是在不斷變化的,如果壓力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致管線設(shè)備的負(fù)荷過(guò)重,甚至引起爆管事故;如壓力太低則會(huì)導(dǎo)致部分用戶(hù)水量不足甚至大面積停水。為了將壓力維持在一定的范圍內(nèi),自來(lái)水公司所屬的泵站和水廠大都在調(diào)度中心的指揮下采用開(kāi)啟或關(guān)閉水泵的方法來(lái)調(diào)節(jié)管道壓力。但對(duì)于有些需要恒定水壓的地區(qū),如居民小區(qū)的增壓泵站等,供水量隨時(shí)間的變化很大,采用該方法來(lái)調(diào)節(jié)水壓就顯得比較費(fèi)力。為實(shí)現(xiàn)恒壓供水,這些泵站均采用了變頻器。

        下面以某泵站為例,簡(jiǎn)述變頻器的應(yīng)用。

        該泵站共有4臺(tái)水泵,每臺(tái)電機(jī)的容量為50kW,其中3臺(tái)工作,1 臺(tái)備用。具體要求如下:

        3臺(tái)水泵分別可以調(diào)速和定速運(yùn)行,變頻器只能作1臺(tái)電機(jī)的變頻電源。故各臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)、停止必須互相聯(lián)鎖,以保證可靠切換。

        2臺(tái)以上的水泵工作時(shí),1臺(tái)由變頻器供電,其余由工頻供電,其運(yùn)行有互鎖控制。

        當(dāng)水壓低于設(shè)定值(目前設(shè)為250kPa)時(shí),1臺(tái)水泵啟動(dòng)采用變頻器調(diào)速,直至達(dá)到定值,如1臺(tái)電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行(工頻狀態(tài))壓力仍然達(dá)不到要求,則該水泵切換至工頻供電,第二臺(tái)水泵啟動(dòng),由變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,直至達(dá)到要求,如還達(dá)不到要求則啟動(dòng)第三臺(tái)水泵。壓力高時(shí)則反之。

        該泵站采用日本富士公司生產(chǎn)的FRENIC5000系列變頻器,主回路采用大功率晶體管模塊,用單片計(jì)算機(jī)控制。

        采用變頻器后,啟動(dòng)電流小于1.5倍額定電流,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),電機(jī)的啟動(dòng)特性得到明顯改善。通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,由于在正常情況下無(wú)須人工干預(yù)水泵運(yùn)行,可大大降低值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,甚至可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

        變頻器還可用于泵站的二次加氯設(shè)備。該泵站采用德國(guó)普羅明特公司生產(chǎn)的計(jì)量泵進(jìn)行次氯酸鈉的加注。該計(jì)量泵通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋紐來(lái)實(shí)現(xiàn)加注量的控制,調(diào)節(jié)加注量十分麻煩。經(jīng)過(guò)改造,加裝了1 臺(tái)施耐德公司生產(chǎn)的PLC和富士公司生產(chǎn)的變頻器??刂圃砣缦拢河嗦葍x將水中的余氯值轉(zhuǎn)換為4~20mA模擬量信號(hào)傳遞給PLC,PLC 據(jù)此通過(guò)變頻器來(lái)控制次氯酸鈉的加注量,形成閉環(huán)控制。目前泵站管理所共有7個(gè)泵站裝有類(lèi)似的計(jì)量泵,都采用人工至現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié),如采用新型帶有模擬量控制的計(jì)量泵則需要很高的費(fèi)用,如采用變頻器控制則只需較少的費(fèi)用即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

        變頻器的合理運(yùn)用,還可降低能耗。以泵站管理所下屬機(jī)場(chǎng)泵站的3# 機(jī)組為例,2007年使用變頻器改造后在平均揚(yáng)程為39kPa的情況下,平均電耗由原來(lái)的59.69kWh降到39.86kWh;2008年度運(yùn)行4 266小時(shí),節(jié)約電量84595kWh;2009年度運(yùn)行4280小時(shí),節(jié)約電量84872kWh;2010年度運(yùn)行4270小時(shí),節(jié)約電量84674kWh。

        由此可見(jiàn),水泵采用交流變頻調(diào)速技術(shù)后,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性明顯提高,控制偏差小于1%,各參數(shù)波動(dòng)幅值小,泵的出口壓力降低,揚(yáng)程下降,節(jié)能效果明顯。

        4.變頻器的維護(hù)

        為使變頻器能長(zhǎng)期可靠的連續(xù)運(yùn)行,防患于未然,應(yīng)進(jìn)行日常檢查和定期檢查維護(hù)。

        日常檢查可不卸下外蓋,通電和啟動(dòng)后,目測(cè)變頻器的運(yùn)行狀況,確認(rèn)無(wú)異常情況。通常應(yīng)注意:鍵盤(pán)面板顯示是否正常;有無(wú)異常的噪聲、振動(dòng)和氣味;有沒(méi)有過(guò)熱或變色等異常情況;周?chē)h(huán)境是否符合規(guī)范。

        定期檢查要切斷電源,停止運(yùn)行并卸下變頻器的外蓋。由于變頻器內(nèi)有較大容量的電容器,必須充分放電后才能開(kāi)始檢查工作。主要檢查維護(hù)項(xiàng)目有:①周?chē)h(huán)境是否符合規(guī)范;②主電路、控制電路電壓是否正常;③顯示面板是否清楚,有無(wú)缺少字符;④框架結(jié)構(gòu)件有無(wú)松動(dòng),導(dǎo)體、導(dǎo)線是否破損;⑤濾波電容器是否漏液,電容量是否降低;⑥電阻、電抗、繼電器、接觸器等接線是否松動(dòng)或斷線;⑦電路板有無(wú)銹蝕、斷裂等;⑧冷卻風(fēng)扇是否正常和通風(fēng)口是否通暢。

        另外,在變頻器的使用中,還要考慮變頻器與電機(jī)的距離對(duì)系統(tǒng)的影響。

        總之,在安裝變頻器時(shí)要綜合考慮控制設(shè)備、變頻器、電機(jī)三者之間的距離,盡量減少諧波的影響,提高控制的穩(wěn)定性。

        5.結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,隨著變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展,在泵站節(jié)能降耗中會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后,電動(dòng)機(jī)和變頻器組合為一體,既是動(dòng)力源又是供水調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu),改變了傳統(tǒng)的控制方式,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化,減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度??傊?,變頻器應(yīng)用在泵站中具有明顯的節(jié)能降耗作用,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。 [科]

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]周培進(jìn).通用變頻器在泵站中的運(yùn)行測(cè)試[J].設(shè)備管理與維修,2002(01).

        [2]徐崢.泵站節(jié)能降耗的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽,2013(23).

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