论变频器在工业水泵中的应用

　　摘要：本文简述了水泵变频调速节能原理，对某公司工业水泵采用变频调速节能改造的措施进行了简要分析，论述了水泵采用变频调速装置进行节能改造的应用价值。
　　关键词：工业水泵，变频调速，应用
　　1、引言
　　随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及。由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，它优于以往的任何调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合调速等，因而深受化工、化纤、橡胶及污水处理等行业的欢迎。
　　水泵作为液体输送设备，在工业、农业、商业和民用建筑中有着极其广泛的应用，其消耗的电能也占到总能耗的10%-20%。在化工行业的生产中，原料、半成品和成品大多是液体，而将原料制成半成品和成品，需要经过复杂的工艺过程，泵在这些过程中起到了输送液体和提供化学反应的压力流量的作用，此外，在很多装置中还用泵来调节温度。
　　2、变频器的原理简析
　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机，如图1所示。
　　
　　图1变频器的原理图
　　从图1可以看到变频器主要由主电源进线回路、整流器、直流环节、逆变器、控制回路构成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGB三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功率。在此顺便对其两个重要的元器件做些说明：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。在控制回路中装有控制卡，控制卡上有控制逆变器产生脉冲序列的微处理器，通过它可将直流电压转换成电压和频率可变的交流电压。
　　在工业控制领域，变频调速普遍使用于各种调速系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。
　　3、某公司工业水泵采用变频调速节能改造的实例
　　3、1问题
　　某公司有3台工业水泵，3台水泵并列在工业水母管上，生产过程中为全公司提供生产工艺制水水源、全厂辅机轴承冷却水、发电机组空冷器、冷油器用水、锅炉淋渣水、全公司生活用水等等。随着用水成本的逐步上升，公司将全厂辅机轴承冷却水、锅炉淋渣水、甚至是发电机组空冷器、冷油器用水（在室外气温较低时）都改成了由机组循环冷却水来代替，全公司的用水量大大降低，在机组负荷较低时开一台工业水泵也会造成工业水母管超压，该公司负责水泵的运行人员不得不采取水泵出口阀节流的方式运行，但工业水母管压力变化较频繁时，运行人员就会就近开启控制室的工业水泄压阀来调整工业水母管压力，这样的调整方式不仅使运行人员劳动强度大，而且浪费了大量的水资源和电能。在技改工程中，采用变频器配合压力变送器实现恒压供水的改造方案彻底解决了工业水压力调整的问题。
　　3、2措施
　　原水泵电机功率185KW，采用自耦变压器降压启动来降低电机启动电流。工业水母管压力用出口阀、或控制室的工业水泄压阀来调整。改造后为潜水泵电动机配备了变频装置，合理设置电机启动时间和电机加减速时间就可有效的实现电机的软启动，降低启动电流。在工业水母管上装设压力变送器，将工业水母管的压力转化为4-20mA的信号送入变频器，变频器将这个信号与设置的压力给定值比较后自动调整变频器的输出转速，从而实现恒压供水的自动闭环控制。
　　3、3结果
　　改造后最明显的是运行人员的劳动强度大大降低，不用频繁调整水泵出口阀和泄压阀，而且变频泵和工频泵并联运行也非常平稳。另外就是水泵运行电流比前一日下降了几十安培。为了详细核算水泵变频改造后的节电效益和节水效益，控制室的运行人员做了半年的统计对比，用这半年的统计数据与前一年改造前的运行数据比较发现，该水泵变频改造后平均运行电流下降了约50安培，一年大约可以节电40万千瓦时，节电率可达28%，创造节能收益10万元，除此之外每年还可节约20万吨水，这两项收益使得改造投入的10万元不到一年就可收回，节能效益非常明显。
　　3、4评价
　　通过工业水泵变频改造的实践验证了水泵采用变频调速装置节能改造的潜力，而且还可降低运行人员的劳动强度，减少机械磨损，延长设备使用寿命，因此采用变频装置对风机、水泵进行节能改造在各行各业中都会有很大的实践空间。
　　4、结语
　　目前一些化工企业的风机和水泵已开始增设调速装置，但个别化工企业中除少量采用汽动给水泵，液力耦合器及双速电机外，其他风机和水泵基本上都采用定速驱动。这种定速驱动的泵，由于采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，都存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率大大降低，结果是白白地浪费了大量的电能，已经到了非改不可的地步。在化工企业中，水泵已经是化工企业中耗电量最大的一类辅机。提高水泵的运行效率，降低水泵的电耗对降低企业用电率具有举足轻重的意义。
　　参考文献
　　1、黄黔阳，等。变频器在水泵上的应用[J]，现代机械，2006年04期
　　2、李青、赵继武等.循环水泵高压变频自动控制系统[J]，山东电力技术，2001.5：47-48
　　3、姚锡禄。变频器控制技术入门与应用实例[M]，中国电力出版社，2009-08-01