变频调速技术在水泵控制系统中的应用

变频调速技术在水泵控制系统中的应用
摘要： 介绍了水泵变频调速控制系统的节能原理、系统结构及节能效果。系统运行结果表
明：水泵采用变频调速控制，节能效果显著，具有明显的经济效益和社会效益。

关键词： 变频器 水泵 节能 调速技术
变频调速（ Variable Velocity Variable Frequency 节能技术是一项集现代先进电力电子技 术和计算机技
术于一体的高效节能技术。自 80 年代世界各国将其投入工业应用以来，它显 示出了强劲的竞争力， 其应用
领域也在迅速扩展。 现在凡是可变转速的拖动电机， 只要采用 该项技术就能取得非常显著的节能效果。国
家科委十分重视这一技术的推广工作，已在 19 95 年将其列入国家级重点推广的科技成果项目。
随着我国工业生产的迅速发展， 电力工业虽然有了长足进步， 但能源的浪费却是相当惊人的。 据有关资料
报导， 我国风机、 水泵、空气压缩机总量约 4200 万台， 装机容量约 1.1 亿千瓦。
但系统实际运行效率仅为 30〜40%，其损耗电能占总发电量的 38%以上。这是由于许多风 机、水泵的拖动电
机处于恒速运转状态， 而生产中的风、 水流量要求处于变工况运行； 还有 许多企业在进行系统设计时，容
量选择得较大，系统匹配不合理，往往是 “大马拉小车 ”，造
成大量的能源浪费。因此，搞好风机、水泵的节能工作，对国民经济的发展具有重要意义。

1 水泵调速运行的节能原理
图1为水泵调速时的全扬程特性（H — Q）曲线。用阀门控制时，当流量要求从 Q减小到Q
1，必须关小阀门。这时阀门的磨擦阻力变大，阻力曲线从 R移到R,扬程则从H0上升到
H1 ，运行工况点从 A 点移到 B 点。
N=60f 1-s /p 6

用调速控制时，当流量要求从 Q减小到Q1，由于阻力曲线 R不变，泵的特性取决于转速。 如果把速度从
N100降到N80，运行工况点则从 A点移到C点，扬程从H0下降到H2。 根据离心泵的特性曲线公式：
P = QHr /iKq 1
式中：P――水泵使用工况轴功率（kw
Q 使用工况点的水压或流量
（m3/s ;
H --- 使用工况点的扬程
（m）;
r——输出介质单位体积重量（kg
/m3 ;
n
――用工况点的泵效率（%）。

可求出运行在E点泵的轴功率和C点泵的轴功率分别为：
PE=QlHlf/102 " 2
PC=QlH2f/102 " 3
两者之差为：
Ap=PB-PC = Q1 H1-H2 f/102 ' 4
也就是说，用阀门控制流量时，有 AP功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损
耗还要增加。而用转速控制时，根据流量Q、扬程H、功率P和转速N之间的关系，有：
由（5）式可知，流量Q与转速N的一次方成正比；扬程H与转速N的平方成正比；轴功率
P与转速N的立方成正比， 即功率与转速成3
次方的关系下降。 如果不是用关小阀门的方法, 而是把电机转

速降下来， 那么在转运同样流量的情况下， 原来消耗在阀门的功率就可以全避 免，从而获得图1中BC区域
大小的节能效果，这就是水泵调速节能原理。
变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系：
式中：
f
p——
电机的极

对数；
由(6)式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f,就可以平滑地改变电动机的同步转 速。电动机转速变
慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调 速的节能作用。
2 水泵变频调速控制系统的设计
变频调速器的控制可以是自动的, 也可以是手动的。 目前, 国内在水泵控制系统中使用变频 调速技术, 大部
分是在开环状态下, 即人为地根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频 率值, 以达到调速目的。 本水泵
变频调速控制系统设计, 根据工厂生产工艺上所需冷却水供 水要求, 考虑若干方面的因素, 采用闭环调速控
制。 本水泵变频调速控制系统原理框图如图 2所示。
系统主要由四部分组成：
(1) 控制对象：电机功率 100kw，额定电流183A;水泵配用功率100 kw，流量
792
m/h，轴功率 8 0.3 kw，扬程 32.3m
。

(2) 变频调速器：选用FRN110/P9S — 4,适配通用电动机功率110 kw，额定容
量160kVA,额定电流210A。 一般用于连续运转的混合的变频器容量选择的基本方 法是：变频器额定输出电
流大于1.1倍电动机的额定电流。
⑶压力测量变送器(PT):选用DLK 100 —OA/0 — 1Mpa。用于控制水管出口压 力，并将压力信号变换为4〜
2 0 mA
的标准电信号，再输入调节器。

(4)调节器(PID):选用WP〜D 9 0 5，输入信号4〜20 mA，输出为PID控制 信号4〜2 0mA。
系统的控制过程为：由压力测量变送器将水管出口压力测出， 并转换成与之相对应的4〜
2

OmA
标准电信号， 送到调节器与工艺所需的控制指标进行比较， 得出偏差。其偏差值由调

节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号， 该信号直接送到变频调速器， 从而使变 频器将输入为

水泵电机的电源频率
(Hz);
3 8OV/5OHZ的交流电变成输出为O〜38OV/O〜4OOHz
连 续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。

3 运行效果分析
水泵电机装上变频调速器后， 节能效果非常显著，经过实测，比未装变频器节约53%左右
的电能，而且生产工艺稳定。采用变频调速器前后实测的有关数据如表1、表2所示。
从表中数据对比结果分析可知：
(1) 节能效果非常显著，采用变频调速技术后，提高了电机的功率因数，减少了无功功率消
耗。月平均节约电能3 19 18 kw .h,月平均节电率为5 3%，按目前工业电价O.6 7元/ kw .h计，每月可以
产生直接经济效益2万余元，具有明显的经济效益。
(2) 采用变频调速技术后，电机定子电流下降6 4%，电源频率下降4O%,水泵出水压力 降低5 7%。由(上接第
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于电机水泵的转速普遍下降, 电机水泵运行状况明显改善, 延长了设备的使用寿命, 降低了 设备的维修费
用。同时,由于变频器启动和调速平稳,减少了对电网的冲击。
(3) 采用变频调速技术后,由于水泵出口阀全开,消除了阀门因节流而产生的噪音,改善了 工人的工作环境。
同时,克服了平常因调节阀故障对生产带来的影响, 具有显著的社会效益。

(4) 系统采用闭环控制,参数超调波动范围小,偏差能及时进行控制。变频器的加速和减速 可根据工艺要求自
动调节,控制精度高,能保证生产工艺稳定,提高了产品的质量和产量。
(5) 由于变频调速器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能，提高了电机水泵运行 的可靠性。

综上所述， 变频调速技术用于水泵控制系统， 具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安 全可靠等优
点。 在大力提倡节约能源的今天， 推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算 机技术于一体的高科技节
能装置， 对于提高劳动生产率、 降低能耗具有重大的现实意义。 以说，变频调速技术是一项利国利民、有
广泛应用前景的高新技术。