0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，使世界范圍內(nèi)的電氣傳動控制領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革，而變頻器以其優(yōu)越的調(diào)速性能和節(jié)能優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。我公司大水池供水設(shè)備中配有兩臺水泵，功率為22 kW，原控制方式為Y-△啟動，全壓運(yùn)行，由操作人員根據(jù)生產(chǎn)情況來確定開機(jī)的數(shù)量以及供水閥門的開度，有時需要開兩臺水泵，但其中一臺泵的供水閥門僅開啟20%左右，造成很大的浪費(fèi)。同時在運(yùn)行中，系統(tǒng)的供水壓力和供水量也很不穩(wěn)定，因而設(shè)備振動厲害。為能達(dá)到良好的供水性能，對其進(jìn)行了恒壓供水變頻節(jié)能改造，取得了良好的效果。

1 恒壓供水變頻節(jié)能原理

在變頻改造前，水泵供水是通過調(diào)節(jié)閥門的開度來達(dá)到改變供水量的目的，供水管路的水壓與流量特性曲線如圖1所示。

圖中曲線①為額定轉(zhuǎn)速時的特性曲線，曲線②為閥門全開時的特性曲線，曲線③為關(guān)小閥門時的特性曲線。當(dāng)水泵工作在曲線②的A 點(diǎn)時，其流量與壓力分別為q1與p2，此時水泵所需的功率正比于p2與q1的乘積。由于工藝要求需減小水量到q2時，通過增加管網(wǎng)管阻，使水泵的工作點(diǎn)移到曲線③上的B 點(diǎn)，水壓增大到p1，這時水泵所需的功率正比于p1與q2的乘積，由圖1可見這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡單，但功率消耗并無減少。

如果采用通過改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來改變供水量，其特性曲線如圖2所示。

圖中曲線②為閥門全開時的特性曲線，曲線①為額定轉(zhuǎn)速時的特性曲線，曲線④為減小轉(zhuǎn)速時的特性曲線。水泵轉(zhuǎn)速下降時，工作點(diǎn)由A 點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是減小到q2，壓力由p2降到p3，這時水泵所需的功率正比于p3與q2的乘積，由圖可見功率的減少是明顯的，通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n 與流量q，壓力p 以及軸功率P具有如下關(guān)系

即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降時，軸功率將大幅下降。

根據(jù)三相異步交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

式中：f 為電源頻率;

p 為電機(jī)極對數(shù);

s 為電機(jī)轉(zhuǎn)差率;

n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

只要改變電機(jī)的供電電源頻率f，就可實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的，而變頻器正是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行設(shè)備。

2 方案設(shè)計

變頻器不但具有動態(tài)性能好、容量大、節(jié)能等顯著特點(diǎn)，而且還可在不增加設(shè)備的情況下，利用其內(nèi)置PID功能實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)過程調(diào)節(jié)，達(dá)到精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，本系統(tǒng)的設(shè)計方案即為閉環(huán)調(diào)整控制。工作原理圖如圖3所示。

由壓力變送器MBS3000(0~6 bar)來執(zhí)行供水壓力的壓力檢測功能，將信號變換后產(chǎn)生的4~20 mA 電流信號反饋回變頻器，此信號與變頻器給定信號進(jìn)行比較，得出差分信號，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制信號，控制變頻器的輸出從而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)出口供水壓力高于設(shè)定值時(即當(dāng)用水量減少時)，變頻器輸出頻率會自動降低，反之會自動升高，使泵出口壓力始終恒定在設(shè)定值上，以保證用水間的用水壓力穩(wěn)定。

本系統(tǒng)中共有兩臺電機(jī)并網(wǎng)供水，此次改造中給兩臺電機(jī)各配備一臺變頻器，正常時為一用一備，用水量大時兩臺全部投入運(yùn)行。壓力變送器安裝在總出水口處，兩臺變頻器切換使用一個壓力反饋信號。在自動運(yùn)轉(zhuǎn)方式下，首先一臺泵投入運(yùn)行，隨供水壓力變化自動調(diào)節(jié)電機(jī)頻率，保持供水壓力恒定，當(dāng)用水量增大而泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率長時間超出設(shè)定最高頻率后，第二臺泵自動啟動，以恒轉(zhuǎn)速(50 Hz)運(yùn)轉(zhuǎn);隨著用水量的減少，在第一臺泵運(yùn)行頻率低于設(shè)定最低頻率后，第二臺泵退出運(yùn)轉(zhuǎn)，如此根據(jù)供水量，兩臺泵循環(huán)運(yùn)行。

2.1 變頻器控制方式

Danfoss 變頻器不但具有通用型變頻器的常用基本功能，還具有很多可編程的內(nèi)部功能，靈活運(yùn)用很容易實現(xiàn)許多控制功能，此次改造中就是充分利用了這一點(diǎn)，只須通過變頻器的內(nèi)部功能就實現(xiàn)了手動、自動功能的轉(zhuǎn)換，電機(jī)的相互切換等功能。本方案根據(jù)性價比采用Danfoss8000 系列，主要功能接線圖如圖4所示。

2.1.1 閉環(huán)控制與開環(huán)控制自動轉(zhuǎn)換功能

Danfoss變頻器共具有4個參數(shù)設(shè)置區(qū)，該4個設(shè)置區(qū)可以獨(dú)立編程，然后可通過數(shù)字量輸入端子或者串行通訊方式在各個設(shè)置區(qū)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

利用菜單轉(zhuǎn)換功能給每臺變頻器設(shè)置兩個菜單，菜單1 為有壓力反饋信號的閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)方式，菜單2為恒速的開環(huán)控制。在自動運(yùn)轉(zhuǎn)方式中根據(jù)開機(jī)順序選擇，首先運(yùn)行的變頻器的端子32的信號為0，此方式設(shè)置為菜單1功能，同時接通端子60(反饋信號輸入);而另外一臺變頻器則通過外部繼電器控制接通端子32(參數(shù)為LSB)，同時斷開端子60，此方式設(shè)置為菜單2功能。這樣在正常運(yùn)行時就可保證兩臺泵為一備一用，使用一個壓力變送器信號即可。外電路中設(shè)計了1# -2#或2# -1#順序開機(jī)選擇功能，如選擇1#-2#則表示1#泵首先投入運(yùn)行為主泵，2#泵為輔泵;同理2#-1#選擇方式下，2#為主泵，1#為輔泵，這樣既保證了恒壓供水要求，又避免了長期只開其中一臺泵的現(xiàn)象，使各泵磨損均勻且不銹死，延長了水泵的使用壽命。

2.1.2 輔泵自動投入和退出控制

VLT8032 有兩組繼電器，通過內(nèi)部編程兩組繼電器共有31個功能可利用，本系統(tǒng)中就是利用了這個功能實現(xiàn)了輔泵自動啟停的控制，非常簡單。在菜單1 中設(shè)置繼電器1 和2為頻率檢測功能，根據(jù)主泵輸出頻率的變化，在用水量大時自動控制第2臺變頻器啟動，由于第2臺為恒壓開環(huán)控制，一直以高頻運(yùn)轉(zhuǎn)，此時第1臺變頻器輸出頻率會自動隨水壓調(diào)整;當(dāng)用水量低時第1臺變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下降，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定頻率時，第2臺變頻器自動退出運(yùn)行。因此兩臺水泵可實現(xiàn)平穩(wěn)，無波動切換。

2.1.3 壓力給定

通過端子50、53、55外接安裝在操作面板上的1kΩ電位器，作為自動運(yùn)行時的實際壓力。

在自動運(yùn)行方式中給定值的設(shè)定是0~10 V對應(yīng)于最小及最大反饋值，在手動運(yùn)行方式中是作為外部給定參考值，0~10 V對應(yīng)最小及最大外部給定參考值。無論是自動或是手動方式，操作人員都可根據(jù)生產(chǎn)要求對電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整。

2.1.4 其他功能

VLT8000 系列還具有一些水泵控制專用的功能，例如睡眠頻率、喚醒頻率、壓力補(bǔ)償?shù)龋侠淼乩?/p>

用這些功能會使整個系統(tǒng)運(yùn)作的更加合理穩(wěn)定。

2.2 注意事項

異步電動機(jī)在全壓起動時，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，所用的時間≤0.5 s。這意味著在不足0.5 s的時間里，水的流量從零猛增到額定流量。由于流體具有一定的動量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短的時間內(nèi)，流量的巨大變化將對管道產(chǎn)生過高或過低的壓力沖擊。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，這種現(xiàn)象稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，應(yīng)用變頻調(diào)速后，應(yīng)合理地設(shè)置變頻器的加、減速時間來延長起動和停止過程從而徹底消除水錘效應(yīng)。

泵在變頻調(diào)速運(yùn)行過程中，往往也會出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，當(dāng)頻率低于10 Hz 時，泵的出口壓力往往會低于止回閥的阻力，這樣就會出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，所以變頻器的參數(shù)設(shè)定范圍一般應(yīng)設(shè)置為低限不低于25 Hz。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

變頻器自身保護(hù)功能完善，具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)，瞬時停電保護(hù)，過載、失速保護(hù)等功能，大大加強(qiáng)了對電機(jī)的保護(hù)。同時變頻器的無級調(diào)速運(yùn)行，實現(xiàn)了電機(jī)軟啟動、軟停運(yùn)，避免了電機(jī)開停時的大電流對電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)，使系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量在大范圍內(nèi)可連續(xù)變化。

在節(jié)能方面效果也是非常顯著的，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，節(jié)能如按40%計算，則一臺22 kW 電機(jī)每月節(jié)電約為22(kW)×40%×24(h)×30(d)×0.8(元/kW·h)=5 068元，年節(jié)約為60 816元。

采用了變頻調(diào)速后由于水泵平均轉(zhuǎn)速下降，工作過程中平均轉(zhuǎn)矩減小，使軸承的磨損和葉片所受的應(yīng)力都大為減小，延長了水泵的使用壽命。設(shè)備運(yùn)行時水泵的出口閥門是完全打開的，消除了閥門因節(jié)流而產(chǎn)生的噪聲，改善了操作人員的工作環(huán)境和勞動強(qiáng)度。