变频器组的节能分析.docx

变频器组的节能分析.docx

《变频器组的节能分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器组的节能分析.docx（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

变频器组的节能分析

题目：

供水变频器组节能运行的讨论

单位：

固安九通基业公用事业有限公司大厂分公司

编写：

梁海峰职务：

分公司负责人

编写：

杨洋职务：

大厂北区热源厂电气组主管

2013年7月27日

摘要

我公司下属的热源厂、供水厂及各个供热小区的换热站，均有多组大功率水泵并联运行的情况出现。

且多组大功率水泵合用一个变频器运行，变频器最大的作用是变频启动及利用变频器控制多台中的一台水泵变频运行。

针对其运行结果和发掘节能降耗空间，我们特对比进行分析和讨论，以给后期工程建设提供模型和参考。

为计算分析方便，本文首先以大厂潮白河工业区北区供水厂2台水泵为例，介绍了供水厂供水系统的常用控制方法。

然后分析了水泵频率与功率的关系，介绍了1台水泵单独运行和2台水泵并联运行的功率系统、流量关系、等功率和等流量曲线。

得出结论：

在等功率和等流量曲线的交点上方2台水泵同时工作比较节能，而在交点下方应只使用1台水泵。

对于2台以上的并联变频调速水泵系统，也可参照以上方法，求出水泵运行台数切换时的阀值频率。

关键词：

变频调速、并联水泵、节能控制。

目录

题目：

供水变频器组节能运行的讨论1

摘要2

目录1

一、系统组成2

1、供水厂变频水泵的控制方法2

2、方法的不足之处3

二、变频器组的控制方式3

1、水泵频率与功率的关系3

2、1台水泵与2台水泵运行的功率关系4

3、1台水泵和2台水泵运行的流量关系4

4、1台水泵和2台水泵运行的等流量曲线5

5、小结6

结论8

参考文献9

一、系统组成

大厂潮白河工业区北区供水厂，它是由PLC、系统控制器、变频器、压力传感器、4台75KW变频水泵、2台15KW稳压水泵组成的供水系统，如图1所示。

离心式水泵由变频器驱动，在供水总管安装1个水压力传感器，系统控制器（可编辑逻辑控制器或直接数字控制器）根据此水压力传感器与设定值的偏差，通过PID调节方式，改变水泵的转速及投入运行水泵的方式、数量，维持此水压力传感器读数的稳定，以此保证对整个系统的稳定供水。

从本质上讲，整个系统为变压力、变流量供水方式。

图1供水系统示意图

1、供水厂变频水泵的控制方法

以2台变频水泵为例，介绍其控制方法。

a.当系统用水量增加时,主泵的频率逐渐上升到50Hz，并保持此频率一段时间之后,主泵自动切换为工频运行，备泵变频启动并从初始频率往上升（初始频率记为fL），直至管网水压力传感器反馈的实际压力值达到系统控制器设定压力值。

b.当系统用水量减少时，备泵从高频率往下降，当降至比fL略低，并保持此频率一段时间后，主泵及备泵同时退出运行，主泵再升至略低于50Hz，再根据水压力渐减速。

c.为使2台水泵的磨损尽可能一致，还需定期或按照每台泵的累计运行时间来切换1台水泵为主泵，另1台为备泵。

2、方法的不足之处

上述控制方式，一般能满足系统中各用户对供水压力及流量的要求。

但从节能的角度分析，当主泵工频和备泵变频同时并联运行时，Q主＞Q备，致使主泵出水流向备泵出口，减小了备泵的流量，备泵需要继续升高频率，才能达到设定压力值，增加了能耗，降低了节能效果。

此外，工频水泵与变频水泵并联同时运行时，还会出现以下问题：

a．工频水泵运行工况的轴功率将超过额定功率，流量越小越严重，甚至超过配套功率。

工频水泵的电动机会发热。

b．2台水泵的运行效率均下降，而变频水泵下降更多，流量越小降幅越大，水泵的运行效率将会很低。

c．当外界用户用水量逐渐减少时，通过减少流量而使变频水泵的转速越来越低时，变频水泵会出现汽化现象。

d.由于供水系统只有一台变频器，当变频器出现故障损坏无法修复时，系统控制器就不能根据用户实际用水量调整供水压力、保证恒压供水。

二、变频器组的控制方式

对供水厂供水系统而言，更节能的方法是并不需要等主泵频率升至50Hz时，才启动备泵，而是存在某一频率fT，当主泵的频率大于fT时，即可将备泵投入运行。

下面详细分析fT的求法。

1、水泵频率与功率的关系

离心式水泵的负载转矩与转速平方成比例[2]。

对三相异步电动机而言，稳定运行时，定子电流与转矩成正比，即定子电流与转速平方成正比。

常用的电压式正弦脉宽调制变频器，是采用变频变压控制方式，其输出电压在水泵的工作频率范围内（一般为25~50Hz），与频率成正比，即U/f=C[2]。

因此，在理想情况下可以推出：

P

f3

式中P，f分别为电动机消耗的功率和运行频率。

2、1台水泵与2台水泵运行的功率关系

设1台水泵的额定功率为PN，额定频率为50Hz，变频运行时的频率为f1，变频运行时的功率为P1，则

P1=（f1/50）3*PN

设2台水泵同时运行时的频率为f2，同时运行时的总功率为P2，由于2台水泵的型号完全一样，则

P2=2*（f2/50）3*PN

设1台水泵运行在f1时与2台水泵同时运行在f2时的总功率一致，即P1=P2，则在忽略变频器损耗的情况下，f1与f2的关系为

f1=

f2≈1.26f2

在理想情况下，1台水泵运行在50Hz时所消耗的功率与2台水泵同时运行在39.7Hz时所消耗的功率是相等的。

据此，可以得到1台水泵与2台水泵的等功率曲线，见图2。

图21台水泵与2台水泵运行的等功率曲线图

3、1台水泵和2台水泵运行的流量关系

水泵在一个供水系统中的工作点是水泵的扬程特性曲线与管阻特性曲线的交点【1】，见图3（图中H，Q分别为扬程和流量）。

图中，曲线1为1台水泵运行在频率fx1下的扬程曲线，曲线2为2台水泵同时运行在频率fx1下的扬程曲线，曲线3为1台水泵在频率fx2下的扬程曲线，曲线4为系统在某一特定工况下的管阻特性曲线。

图3水泵工作点

曲线2实际上是将曲线1的横坐标值乘2所得。

图3中，1台水泵单独运行时的流量为Q1，2台水泵并联运行时的流量为Q2，很显然Q2＜2Q1。

引入比例系数KQ:

KQ=Q2/Q1

在水泵工作频率内（一般为25~50Hz），1＜KQ＜2。

而且在一个供水系统中，随着系统用水量的增加，即水泵频率的增加，管阻特性曲线由陡峭变平坦。

即随着水泵频率的增加，KQ值增大。

根据工程经验，在一个变压力、变流量的供水系统中，当保持供水总管的压力不变时，KQ值以近似2次方的规律随水泵频率的提高而增加。

4、1台水泵和2台水泵运行的等流量曲线

设1台水泵单独以fx1频率工作时，其向系统输出的流量与2台水泵同时以fx2频率运行时一致，都为Q2，根据水泵的比例定律【3】，有

Q2/QN=fx1/fN

Q2=fx1*QN/fN

式中：

QN，fN分别为水泵的额定流量和额定频率。

同时，1台水泵单独运行在fx2频率时，Q1，KQ也可写为

Q1=fx2*QN/fN

KQ=fx1/fx2

根据KQ的变化功率，可以画出1台水泵与2台水泵之间的等流量曲线，见图4。

可以看到，当频率较小时，KQ≈1；当频率增加时，KQ以较快速率增加。

图中，等流量曲线与等功率曲线相交于点E，其对应的1台水泵的频率为fT1，2台水泵的频率为fT2。

图41台水泵与2台水泵运行的等功率、等流量曲线

5、小结

由图4可知，在E点的上方，2台水泵同时工作比较节能；在E点的下方，应只使用1台水泵。

大多数并联变频调速水泵的供水系统中，要从理论上求得等流量曲线是比较困难的，可以通过实验获得。

具体的做法是：

将系统中所有用户的阀门固定在某一开度，只开1台水泵，调节水泵频率，使压力传感器的读数达到设定值，记录下此时的运行频率f1；2台水泵同频率运行，调节频率，当压力传感器的读数也达到设定值时，记录下此时的运行频率f2。

这样就得到等流量曲线上的一个点。

逐步改变阀门的开度，直至求出整个等流量曲线。

将等功率与等流量曲线画在同一张图上，求出交点。

设交点处1台水泵的频率为fT1，2台水泵的频率为fT2。

于是2台水泵的控制方式可改为如下这种。

a．当系统用水量增加时，1台水泵的频率逐渐上升，当增至比fT1略高，并保持此频率一段时间之后，另1台水泵投入运行。

2台水泵作同频率运行，直至频率都增加为50Hz。

b．当系统用水减少时,2台水泵同时从高频率往下降，当降至比fT2略低，并保持此频率一段时间之后，1台水泵退出运行，另,1台水泵升至fT1附近，再根据水压力逐渐往下降。

C．为使2台水泵的磨损尽可能一致，在PLC中还编写了水泵的自动轮换程序。

每台水泵的累计运行时间分别存于PLC寄存器中，当需要新增1台水泵运行时，累计运行时间少的水泵先投入运行；同样，当需要1台水泵退出运行时，累计运行时间多的水泵先退出。

由于第2台水泵较早的投入运行，使得用电量减少。

因此，从长期看，采用变频器组的这种控制方法的节能效果比较可观。

节能量估算：

这种控制方法的节能量与图4中阴影部分的面积成正比，同时还与水泵在这一区域的运行时间有关，理论节约电能为10%~15%。

对于2台以上的并联变频调速水泵系统，也可参照以上方法，求出水泵运行台数切换时的阀值频率。

结论

考虑到长期运行成本投入及节能等方面因素，建议以后新建供水厂和热源厂时，采用多台变频器组控制水泵并联运行的控制方式。

参考文献

【1】张燕宾电动机变频调速图解【M】。

北京：

中国电力出版社，2003。

【2】谭茀娃，金如麟大功率电子学和电机控制【M】。

上海：

上海交通大学出版社，1999。

【3】张世芳泵与风机【M】。

北京：

机械工业出版社，1997。

【4】赵永成，许立，刘日明水泵变频调速节能分析【J】。

大连铁道学院学报，1995,16

（2）：

86-88,100。

【5】汤利华，丁琨水泵调速机组配置中若干问题的研究【J】。

安徽建筑工业学院学报（自然科学版），1996,4

（1）：

5-8。

【6】柯水洲，张云，尚耀宗变频调速水泵几个问题的探讨【J】。

给水排水，2001,27（9）：

78-77。