SV022iG5A-2
交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)業(yè)已廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。
長(zhǎng)期以來(lái)區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過(guò)二次加壓和水塔或天面水池來(lái)滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。在小區(qū)供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用*不利用水點(diǎn)的水壓要求來(lái)確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來(lái)選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開(kāi)度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問(wèn)題。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上應(yīng)用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。

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１、交流電機(jī)變頻調(diào)速原理

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s 為轉(zhuǎn)差率，p為極對(duì)數(shù)。
電機(jī)選定之后s 、p則為定值，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來(lái)改變交流電頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)變頻無(wú)級(jí)調(diào)速。

２、根據(jù)離心泵的負(fù)載工作原理可知：

流量與轉(zhuǎn)速成正比：Ｑ∝Ｎ
轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２
功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３
而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機(jī)軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術(shù)供水時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：
Ｐ變＝Ｎ３Ｐ額＝Ｑ３Ｐ額
采用出口閥控制流量的方式，電機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額
其中，Ｐ為功率
　　?。螢檗D(zhuǎn)速
　　　Ｑ為流量
例如設(shè)定當(dāng)前流量為水泵額定流量的６０％，則采用變頻調(diào)速時(shí)Ｐ變＝Ｑ３Ｐ額＝０.２１６Ｐ額，而采用閥門(mén)控制時(shí)Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額＝０.７６Ｐ額，節(jié)電＝（Ｐ閥-Ｐ變）／Ｐ閥*１００％＝７１.６％。


流量% 100 90 80 70 60 50 
節(jié)電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1

由此可見(jiàn)從理論計(jì)算結(jié)果可以看到節(jié)能效果非常顯著，而且在實(shí)際運(yùn)行中小區(qū)變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動(dòng)控制恒壓、無(wú)污染等明顯優(yōu)勢(shì)。
而且新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)能自動(dòng)地控制一至多臺(tái)主泵和一臺(tái)休眠泵的運(yùn)行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺(tái)主泵流量的約1/6-1/8時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止主泵，啟動(dòng)小功率的休眠泵工作，*保*系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時(shí)大量電能的浪費(fèi)問(wèn)題，從運(yùn)行控制上進(jìn)一步節(jié)能。

三、 變頻恒壓供水系統(tǒng)及控制參數(shù)選擇

1、變頻恒壓供水系統(tǒng)組成


小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)通常是由水池、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網(wǎng)組成（如圖1）。工作流程是利用設(shè)置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)因用水量的變化引起的水壓變化，及時(shí)將信號(hào)（4-20mA或0-10V）反饋PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器對(duì)比設(shè)定控制壓力進(jìn)行運(yùn)算后給出相應(yīng)的變頻指令，改變水泵的運(yùn)行或轉(zhuǎn)速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。

2、變頻恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取

（1）、合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水。這個(gè)目的的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就在于壓力控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)*不利點(diǎn)壓力恒壓控制，另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。兩者如何選擇，我們來(lái)簡(jiǎn)單分析一下（如圖2）。
管網(wǎng)*不利點(diǎn)壓力恒定時(shí)，管網(wǎng)用水量由QMAX減少到Q1，水泵降低轉(zhuǎn)速，與用水管路特性曲線A（不變）相交于點(diǎn)C，水泵特性曲線下移，管網(wǎng)*不利點(diǎn)壓力H0。而泵出口壓力恒壓控制時(shí)，則Ha不變，用水量由QMAX減少到Q1與Ha交于B點(diǎn)，用水管路特性曲線A上移并通過(guò)B點(diǎn)，管網(wǎng)*不利點(diǎn)壓力變?yōu)镠b，Hb - H0的揚(yáng)程差即為能量浪費(fèi)，所以選擇管網(wǎng)*不利點(diǎn)的*小水頭為壓力控制參數(shù)，形成閉環(huán)壓力自控系統(tǒng)，使得水泵的轉(zhuǎn)速與PID調(diào)節(jié)器設(shè)定壓力相匹配，可以達(dá)到*大節(jié)能效果，而且實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的目的。
（2）、變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是*保*系統(tǒng)達(dá)到*佳運(yùn)行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，在啟動(dòng)和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間不相同，設(shè)定時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致變頻器在加速時(shí)過(guò)電流、在減速時(shí)過(guò)電壓保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過(guò)
長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處在短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。
為了變頻器不跳閘保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時(shí)間的設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，它所帶來(lái)的問(wèn)題很容易被設(shè)備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達(dá)不到*佳運(yùn)行狀態(tài)。所以現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)要根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)不同，測(cè)試出負(fù)載的允許*短加減速時(shí)間，進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于水泵電機(jī)，加減速時(shí)間的選擇在0.2-20秒之間。

四、 變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)與傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)突出的體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

１、高效節(jié)能

變頻恒壓供水系統(tǒng)的*顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺(tái)水泵的節(jié)能來(lái)看，流量越小，節(jié)能量越大。

２、恒壓供水

變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以*保*用戶任何時(shí)候的用水壓力，不會(huì)出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。

３、安全衛(wèi)生

系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。

４、自動(dòng)運(yùn)行、管理簡(jiǎn)便

新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過(guò)載、失速保護(hù)、低液位保護(hù)、主泵定時(shí)輪換控制、密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動(dòng)控制，自動(dòng)運(yùn)行，泵房不設(shè)崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。

５、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定

使用變頻器后，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速不再是長(zhǎng)期維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，減少了機(jī)械磨損，降低了機(jī)泵故障率，而且主泵定時(shí)輪換控制功能自動(dòng)定時(shí)輪換主泵運(yùn)行，*保*各泵磨損均勻且不銹死，延長(zhǎng)了機(jī)泵使用壽命。變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵軟啟動(dòng)，避免了電機(jī)開(kāi)停時(shí)的大電流對(duì)電機(jī)線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)。

６、占地少、投資回收期短

新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個(gè)控制柜，體積很小，整個(gè)系統(tǒng)占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設(shè)專人管理、設(shè)備故障率極低等方面都實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減少投資，運(yùn)行管理費(fèi)低的特點(diǎn)，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，都決定了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。

鍋爐主要的控制技術(shù)在於煤效率及用電效率，傳統(tǒng)方法使用風(fēng)門(mén)檔板及閥門(mén)控制鼓風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵的流量，其設(shè)計(jì)上并未考慮節(jié)能目的，同時(shí)，生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)任務(wù)不同，蒸汽需求量變化時(shí)，需改變給煤（噴降）量，以達(dá)到高效率燃燒，傳統(tǒng)的控制方式采用人工操作、耗電高、控制精度代，且需非常熟練的技術(shù)人員操作，煙囪才會(huì)冒出黑煙。鍋爐常因一臺(tái)不夠用，需再開(kāi)一臺(tái)并聯(lián)使用，便當(dāng)蒸汽壓力需求量不足兩臺(tái)時(shí)，常需排空放汽，以降低蒸汽壓力，既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境。

二、鍋爐供水控制系統(tǒng)的改造
傳統(tǒng)的鍋爐水位控制系統(tǒng)中，給水泵是連續(xù)恒速運(yùn)行的，并且流量的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)水管道中調(diào)節(jié)閥和回流支路實(shí)現(xiàn)的。這兩種方法都存在明顯的缺陷。采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時(shí)，由于閥門(mén)的開(kāi)度的減小，水泵出口的壓力會(huì)上升閥門(mén)兩邊的壓差將增大。當(dāng)增大到很大時(shí)不但會(huì)造成水泵的能量的浪費(fèi)，而且使該水泵的振動(dòng)和磨損加大，進(jìn)而壽命縮短。采用回流支路調(diào)整時(shí)，大量的水回流也同樣造成能量的消耗。 
水泵的工作原理
由水泵的工作原理可知流量與轉(zhuǎn)速N成正比，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速N三次方成正比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率F成正比，因此改變電源頻率，可改變電動(dòng)機(jī)即給水泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)給水流量的目的。
系統(tǒng)組成及原理
本系統(tǒng)主要由一單片機(jī)和一臺(tái)變頻器組成，這里汽包水位是被控變量，給水量與蒸發(fā)量是兩個(gè)輔助的沖量，這三個(gè)變量是由電動(dòng)差壓變送器進(jìn)行檢測(cè)，然后經(jīng)過(guò)單電機(jī)的計(jì)算輸出4～20mA的電流信號(hào)控制變頻器以實(shí)現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)確定變頻器的輸出頻率，因?yàn)檫@一參數(shù)的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的控制效果，應(yīng)根據(jù)水泵流量，揚(yáng)程等參數(shù)和*大用水量和*小用水量確定。
變頻器的工作狀態(tài)
變頻器通過(guò)與外部電路相連的輸入輸出端子設(shè)置。手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)，手動(dòng)工作狀態(tài)通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)給定變頻器輸出頻率，這種工作狀態(tài)是在單電機(jī)因某種情況停用時(shí)進(jìn)行操作的，自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)由單片機(jī)的輸出信號(hào)進(jìn)行控制。
在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)較傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥控制方式*實(shí)出的優(yōu)點(diǎn)是同期節(jié)電率高達(dá)近20%并且水泵磨損嚴(yán)重的問(wèn)題得到解決，維修率明顯降低，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命而且能更好地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。
三、鍋爐鼓(引)風(fēng)控制系統(tǒng)的改造
鍋爐的鼓（引）風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也是經(jīng)常變動(dòng)的，由于汽量變化是經(jīng)常變化的，所以風(fēng) 量就需要經(jīng)常調(diào)節(jié)如由閥門(mén)調(diào)節(jié)，鍋爐的控制室到閥門(mén)的距離較遠(yuǎn)，操作十分不便，也不可能調(diào)節(jié)得當(dāng)，風(fēng)量調(diào)節(jié)過(guò)大，空氣含氧量超標(biāo)，浪費(fèi)了熱能，風(fēng)量調(diào)節(jié)過(guò)小，煤渣殘留碳份超標(biāo)又浪費(fèi)了煤，因此為了提高控制水平，*保*空氣含氧量和煤渣殘留的碳份達(dá)標(biāo)，必須對(duì)風(fēng)量進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的方式，必須方便、靈敏、可靠。
為了提高鍋爐風(fēng)量的控制水平，又能達(dá)到節(jié)能的效果，采用變頻調(diào)速方式對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，是選的方案。由于應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)可根據(jù)用汽量的變化，隨時(shí)調(diào)整鼓引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少了噪音對(duì)環(huán)境的污染（電機(jī)均運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以下，風(fēng)的噪音隨之下降）對(duì)提高工業(yè)衛(wèi)生水平起到一定的作用，由于鼓引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)之下運(yùn)行電機(jī)及風(fēng)機(jī)的軸承不易損壞，延長(zhǎng)了使用壽命，電機(jī)的發(fā)熱量也減少了，維修量下降。停機(jī)時(shí)間減少，節(jié)約了大量的維修費(fèi)用。
應(yīng)用變頻器的節(jié)能效果
一般使用的風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備額定的風(fēng)量、流量，通常都超過(guò)實(shí)際需要的風(fēng)量流量，又因?yàn)楣に囈笮枰谶\(yùn)行中變更風(fēng)量、流量，而目前，采用檔板或閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量和流量的調(diào)節(jié)方式較為普遍，雖然方法簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是通過(guò)人為增加阻力的辦法達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費(fèi)大量電能，回收這部分電能損耗會(huì)收到很大的節(jié)能效果。
從流體力學(xué)原理知道，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率的關(guān)系，用下述關(guān)系式表示：
式中，Q－風(fēng)量(流量)Ｈ－風(fēng)壓（揚(yáng)程）P－軸功率n－轉(zhuǎn)速
當(dāng)風(fēng)量減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其電動(dòng)機(jī)輸入功率迅速降低，例如風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速(n)也下降到80%時(shí)其軸功率則下降到額定功率的51%；若風(fēng)量下降到50%，軸功率將下降到額定功率的13%，其節(jié)電潛力非常大，下圖兩條曲線之間的陰影部分表示了采用變頻調(diào)速方式的節(jié)電效果。
上述的原理也基本適用于水泵，因此對(duì)風(fēng)量流量調(diào)節(jié)范圍較大的風(fēng)機(jī)水泵，采用調(diào)速控制來(lái)代替風(fēng)門(mén)或閥門(mén)調(diào)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效途徑。
驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，水泵，大多數(shù)為交流異步電機(jī)，（大功率的多數(shù)為同步電機(jī)），異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率f成正比，改變定子供電頻率就改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速裝置，是將電網(wǎng)50Hz的交流電，變成頻率可調(diào)電壓可調(diào)的交流電去驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。
變頻調(diào)速的特點(diǎn)是效率高，沒(méi)有因調(diào)速帶來(lái)的附加轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速的范圍大，精度高、無(wú)級(jí)調(diào)速。容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和閉環(huán)控制，由于可以利用原鼠籠式電動(dòng)機(jī)，所以特別適合于對(duì)舊設(shè)備的技術(shù)改造，它既保持了原電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果，是風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能的較理想的方法。

采用菱科變頻器調(diào)速，可取代風(fēng)門(mén)檔板閥門(mén)控制流量，并控制給煤機(jī)，給煤量改造效果如下：

1、節(jié)省用電約30%-80%，約6-9個(gè)月即回收投資。

2、提高燃燒效率，節(jié)省用煤10%左右。

3、降低排煙濃度，避免冒黑煙的環(huán)境污染。

4、不必依賴有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，可以數(shù)據(jù)化控制。

5、可以開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制，也可選用RS-485通訊接口作電腦集中控制。

6、多臺(tái)鍋爐并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)控制更方便。

7、驅(qū)動(dòng)電機(jī)軟起動(dòng)，沒(méi)有起動(dòng)的沖擊流。