SV022iG5A-2

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交流電機變頻調速技術是一項業已廣泛應用的節能技術。由于電子技術的飛速發展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實現控制設備軟啟軟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統安全、穩定、長周期運行。
長期以來區域的供水系統都是由市政管網經過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在小區供水系統中加壓泵通常是用*不利用水點的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于小區用水有著季節和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調速技術在給水泵站上應用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。

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１、交流電機變頻調速原理

交流電機轉速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉速，f為交流電頻率，s 為轉差率，p為極對數。
電機選定之后s 、p則為定值，電機轉速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現對電機變頻無級調速。

２、根據離心泵的負載工作原理可知：

流量與轉速成正比：Ｑ∝Ｎ
轉矩與轉速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２
功率與轉速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３
而且變頻調速自身的能量損耗極低，在各種轉速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調速技術供水時，系統中流量變化與功率的關系：
Ｐ變＝Ｎ３Ｐ額＝Ｑ３Ｐ額
采用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時，系統中流量變化與功率的關系：Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額
其中，Ｐ為功率
　　?。螢檗D速
　　?。褳榱髁?br /> 例如設定當前流量為水泵額定流量的６０％，則采用變頻調速時Ｐ變＝Ｑ３Ｐ額＝０.２１６Ｐ額，而采用閥門控制時Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額＝０.７６Ｐ額，節電＝（Ｐ閥-Ｐ變）／Ｐ閥*１００％＝７１.６％。


流量% 100 90 80 70 60 50 
節電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1

由此可見從理論計算結果可以看到節能效果非常顯著，而且在實際運行中小區變頻恒壓供水技術比傳統的加壓供水系統還有自動控制恒壓、無污染等明顯優勢。
而且新型的小區變頻恒壓供水系統能自動地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時，系統自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，*保*系統小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節能。

三、 變頻恒壓供水系統及控制參數選擇

1、變頻恒壓供水系統組成


小區變頻恒壓供水系統通常是由水池、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調節器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網組成（如圖1）。工作流程是利用設置在管網上的壓力傳感器將管網系統內因用水量的變化引起的水壓變化，及時將信號（4-20mA或0-10V）反饋PID調節器，PID調節器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或轉速，使得管網的水壓與控制壓力一致。

2、變頻恒壓供水系統的參數選取

（1）、合理選取壓力控制參數，實現系統低能耗恒壓供水。這個目的的實現關鍵就在于壓力控制參數的選取，通常管網壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網*不利點壓力恒壓控制，另一個就是泵出口壓力恒壓控制。兩者如何選擇，我們來簡單分析一下（如圖2）。
管網*不利點壓力恒定時，管網用水量由QMAX減少到Q1，水泵降低轉速，與用水管路特性曲線A（不變）相交于點C，水泵特性曲線下移，管網*不利點壓力H0。而泵出口壓力恒壓控制時，則Ha不變，用水量由QMAX減少到Q1與Ha交于B點，用水管路特性曲線A上移并通過B點，管網*不利點壓力變為Hb，Hb - H0的揚程差即為能量浪費，所以選擇管網*不利點的*小水頭為壓力控制參數，形成閉環壓力自控系統，使得水泵的轉速與PID調節器設定壓力相匹配，可以達到*大節能效果，而且實現了恒壓供水的目的。
（2）、變頻器在投入運行后的調試是*保*系統達到*佳運行狀態的必要手段。變頻器根據負載的轉動慣量的大小，在啟動和停止電機時所需的時間不相同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流、在減速時過電壓保護；設定時間過
長會導致變頻器在調速運行時使系統變得調節緩慢，反應遲滯，應變能力差，系統易處在短期不穩定狀態中。
為了變頻器不跳閘保護，現場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達不到*佳運行狀態。所以現場使用時要根據所驅動的負載性質不同，測試出負載的允許*短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2-20秒之間。

四、 變頻恒壓供水系統的優點

相對與傳統的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統的優點突出的體現在以下幾個方面：

１、高效節能

變頻恒壓供水系統的*顯著優點就是節約電能，節能量通常在10-40%。從單臺水泵的節能來看，流量越小，節能量越大。

２、恒壓供水

變頻恒壓供水系統實現了系統供水壓力穩定而流量可在大范圍內連續變化，從而可以*保*用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。

３、安全衛生

系統實行閉環供水后，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、自動運行、管理簡便

新型的小區變頻恒壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養。

５、延長設備壽命、保護電網穩定

使用變頻器后，機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，*保*各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調速運行，實現了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊，消除了水泵的水錘效應。

６、占地少、投資回收期短

新型的小區變頻恒壓供水系統采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統占地就非常小，可以節省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節能優點，都決定了小區變頻恒壓供水系統的投資回收期短，一般約2年。

鍋爐主要的控制技術在於煤效率及用電效率，傳統方法使用風門檔板及閥門控制鼓風機、補水泵、循環泵的流量，其設計上并未考慮節能目的，同時，生產工藝及生產任務不同，蒸汽需求量變化時，需改變給煤（噴降）量，以達到高效率燃燒，傳統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人員操作，煙囪才會冒出黑煙。鍋爐常因一臺不夠用，需再開一臺并聯使用，便當蒸汽壓力需求量不足兩臺時，常需排空放汽，以降低蒸汽壓力，既浪費能源又污染環境。

二、鍋爐供水控制系統的改造
傳統的鍋爐水位控制系統中，給水泵是連續恒速運行的，并且流量的控制是通過調節水管道中調節閥和回流支路實現的。這兩種方法都存在明顯的缺陷。采用調節閥調節時，由于閥門的開度的減小，水泵出口的壓力會上升閥門兩邊的壓差將增大。當增大到很大時不但會造成水泵的能量的浪費，而且使該水泵的振動和磨損加大，進而壽命縮短。采用回流支路調整時，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速N成正比，揚程H與轉速N的平方成正比，軸功率P與轉速N三次方成正比，電機的轉速與電源頻率F成正比，因此改變電源頻率，可改變電動機即給水泵的轉速，從而達到調節給水流量的目的。
系統組成及原理
本系統主要由一單片機和一臺變頻器組成，這里汽包水位是被控變量，給水量與蒸發量是兩個輔助的沖量，這三個變量是由電動差壓變送器進行檢測，然后經過單電機的計算輸出4～20mA的電流信號控制變頻器以實現給水泵轉速的調節。
在設計系統時，首先應確定變頻器的輸出頻率，因為這一參數的選擇關系到整個系統的控制效果，應根據水泵流量，揚程等參數和*大用水量和*小用水量確定。
變頻器的工作狀態
變頻器通過與外部電路相連的輸入輸出端子設置。手動和自動兩種工作狀態，手動工作狀態通過調節電位器來給定變頻器輸出頻率，這種工作狀態是在單電機因某種情況停用時進行操作的，自動工作狀態時由單片機的輸出信號進行控制。
在實際應用中，該系統較傳統調節閥控制方式*實出的優點是同期節電率高達近20%并且水泵磨損嚴重的問題得到解決，維修率明顯降低，延長設備的使用壽命而且能更好地提高系統的自動化水平。
三、鍋爐鼓(引)風控制系統的改造
鍋爐的鼓（引）風機的風量也是經常變動的，由于汽量變化是經常變化的，所以風 量就需要經常調節如由閥門調節，鍋爐的控制室到閥門的距離較遠，操作十分不便，也不可能調節得當，風量調節過大，空氣含氧量超標，浪費了熱能，風量調節過小，煤渣殘留碳份超標又浪費了煤，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標，必須對風量進行有效的調節，調節的方式，必須方便、靈敏、可靠。
為了提高鍋爐風量的控制水平，又能達到節能的效果，采用變頻調速方式對風量進行調節，是選的方案。由于應用變頻調速技術可根據用汽量的變化，隨時調整鼓引風機的轉速，減少了噪音對環境的污染（電機均運行于額定轉速以下，風的噪音隨之下降）對提高工業衛生水平起到一定的作用，由于鼓引風機長期低于額定轉速的狀態之下運行電機及風機的軸承不易損壞，延長了使用壽命，電機的發熱量也減少了，維修量下降。停機時間減少，節約了大量的維修費用。
應用變頻器的節能效果
一般使用的風機、水泵設備額定的風量、流量，通常都超過實際需要的風量流量，又因為工藝要求需要在運行中變更風量、流量，而目前，采用檔板或閥門來調節風量和流量的調節方式較為普遍，雖然方法簡單，但實際上是通過人為增加阻力的辦法達到調節的目的，這種節流調節方法浪費大量電能，回收這部分電能損耗會收到很大的節能效果。
從流體力學原理知道，風機風量與轉速及電機功率的關系，用下述關系式表示：
式中，Q－風量(流量)Ｈ－風壓（揚程）P－軸功率n－轉速
當風量減少風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低，例如風量下降到80%，轉速(n)也下降到80%時其軸功率則下降到額定功率的51%；若風量下降到50%，軸功率將下降到額定功率的13%，其節電潛力非常大，下圖兩條曲線之間的陰影部分表示了采用變頻調速方式的節電效果。
上述的原理也基本適用于水泵，因此對風量流量調節范圍較大的風機水泵，采用調速控制來代替風門或閥門調節，是實現節能的有效途徑。
驅動風機，水泵，大多數為交流異步電機，（大功率的多數為同步電機），異步電動機或同步電動機的轉速與電源的頻率f成正比，改變定子供電頻率就改變了電動機的轉速，變頻調速裝置，是將電網50Hz的交流電，變成頻率可調電壓可調的交流電去驅動交流電動機實現調速的。
變頻調速的特點是效率高，沒有因調速帶來的附加轉差損耗，調速的范圍大，精度高、無級調速。容易實現協調控制和閉環控制，由于可以利用原鼠籠式電動機，所以特別適合于對舊設備的技術改造，它既保持了原電動機結構簡單、可靠耐用、維護方便的優點，又能達到節電的顯著效果，是風機水泵節能的較理想的方法。

采用菱科變頻器調速，可取代風門檔板閥門控制流量，并控制給煤機，給煤量改造效果如下：

1、節省用電約30%-80%，約6-9個月即回收投資。

2、提高燃燒效率，節省用煤10%左右。

3、降低排煙濃度，避免冒黑煙的環境污染。

4、不必依賴有經驗的操作人員，可以數據化控制。

5、可以開環或閉環控制，也可選用RS-485通訊接口作電腦集中控制。

6、多臺鍋爐并聯運轉時控制更方便。

7、驅動電機軟起動，沒有起動的沖擊流。