泵的变频器应用.doc

泵的变频器应用泵的应用背景泵的重要性从泵的性能范围看，巨型泵的流量每小时可达几十万立方米以上，而微型泵的流量每小时则在几十毫升以下。泵的压力可从常压到高达19.61MPa（200kgf/cm2）以上，被输送液体的温度最低达-200以下，最高可达800以上。泵输送液体的种类繁多，诸如输送水（清水、污水等）、油液、酸碱液、悬浮液、和液态金属等。在化工和石油部门的生产中，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。在农业生产中，泵是主要的排灌机械。我国农村幅原广阔，每年农村都需要大量的泵，一般来说农用泵占泵总产量一半以上。在矿业和冶金工业中，泵也是使用最多的设备。矿井需要用泵排水，在选矿、冶炼和轧制过程中，需用泵来供水等。在电力部门，核电站需要核主泵、二级泵、三级泵、热电厂需要大量的锅炉给水泵、冷凝水泵、循环水泵和灰渣泵等。在国防建设中，飞机襟翼、尾舵和起落架的调节、军舰和坦克炮塔的转动、潜艇的沉浮等都需要用泵。高压和有放射性的液体，有的还要求泵无任何泄漏等。在船舶制造工业中，每艘远洋轮上所用的泵一般在百台以上，其类型也是各式各样的。其它如城市的给排水、蒸汽机车的用水、机床中的润滑和冷却、纺织工业中输送漂液和染料、造纸工业中输送纸浆，以及食品工业中输送牛奶和糖类食品等，都需要有大量的泵。总之，无论是飞机、火箭、坦克、潜艇、还是钻井、采矿、火车、船舶，或者是日常的生活，到处都需要用泵，到处都有泵在运行。正是这样，所以把泵列为通用机械，它是机械工业中的一类主要产品。几种常见的泵下面列举了几种常见的泵：（1）离心泵离心泵是非容积式泵，其流量随着压力的变动有大幅度的变化。离心泵特性曲线和性能参数是泵内流体运动参数的外部表现形式，泵内流体的运动状况由泵的转速和泵的几何参数所决定，其效率随转速、流量、扬程变动而变化。工业生产中，离心泵约占泵总数的80%。离心水泵主要用于输送类似清水的介质。按介质的不同，离心水泵可分为清水泵、锅炉给水泵及热水泵等。如果按结构分，也可分为卧式离心泵、液下泵、管道泵等。非金属材料，尤其是新型工程塑料，与金属材料相比有较好的耐腐蚀性能，而单位体积的价格比高级金属低得多，制造也容易，因此随着非金属材料的飞速发展，非金属离心泵在化工、医药等行业应用也越来越广。（2）转子泵转子泵是容积式泵的一种形式，其通过转子与泵体间的相对运动来改变工作容积，进而使液体的能量增加。工业生产中，除离心泵外，转子泵约占泵总量的10%。由于使用者一般对离心泵都比较熟悉，也比较偏爱，因此常会造成在一些适合使用转子泵的场合中选用了离心泵。转子泵按其结构和原理，可分为齿轮泵、螺杆泵、凸轮泵（罗茨泵）、挠性叶轮泵、滑片泵、软管泵等。转子泵是一种旋转的容积式泵，具有正排量性质，其流量不随背压变化而变化。优先选用转子泵的场合有：粘性液体、需要计量的场合、需要自吸的场合、含有气体的场合、小流量场合、高压力场合、以及要求对介质柔和的泵、需要反转的泵等。（3）往复泵往复泵是容积式泵的另外一种形式，通过活塞或柱塞在缸体内的往复运动来改变工作容积，进而使液体的能量增加。往复泵包括活塞泵和柱塞泵，适用于输送流量较小、压力较高的介质。当流量小于100m3/h/排出压力大于10MPa时，往复泵有较高的效率和良好的运行性能。（4）计量泵计量泵也称定量泵或比例泵。计量泵也属于容积式泵，只是用于精确计量，通常要求计量泵的稳定性精度误差不超过1%。计量泵可以计量易燃、易爆、腐蚀、资料等各种液体，在化工和石油化工装置中经常使用。（5）潜水泵潜水泵是电动机和水泵组装为一体的电力排灌设备，结构简单紧凑，机组潜入水中工作无须建筑泵房，使用方便，在民用生产中应用尤其广泛。变频器在泵上的节能应用通过流体力学的基本定律可知：离心泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P有如下关系：Qn、Hn2、Pn3，即流量与转速成正比、压力与转速的二次方成正比、轴功率与转速的三次方成正比。以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0，阀门全开时的管阻特性为r0，额定工况下与之对应的压力为H1，出口流量为Q1。在现场控制中，要求管网压力不得低于H3，在此范围内调节系统供水流量，通常采用水泵定速运行，调节出口阀门开度控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向I由原来的A点移至B点。受其节流作用使得泵口压力由H1变为H2，管网压力则因为节流原因降至H3。水泵轴功率实际值（KW）可由公式P=QH/(cb)10-3得出。其中，P、Q、H、c、b分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率（如直接传动为1）。假设总效率（cb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电动机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻特性为同一曲线r0，系统工作点沿方向由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电动机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。另外，从1中还可以看出：阀门调节时使系统压力H升高，这将对泵体和阀门的密封性能形成威胁和破坏。而转速调节时，系统压力H随泵转速n的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率，理论节能率在75%以上。与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类转速来控制现场压力、温度、水位等其他过程控制参数，同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较结果。因此，采用变频调速技术改变电动机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。变频器在泵上的控制特点变频器控制泵具有以下几个特点：（1）电动机的再起动一些要求高效率运行的泵，通常要求工频电源供电与变频器供电随时可以相互切换。例如，某小区采用深井地热水供暖，3台45KW电动机水泵机组供暖，由1台变频器控制，最高频率为50Hz，供水量最大时为3台机组均以工频电源供电运行。该系统随气温变化和昼夜对供暖要求的不同，3台机组可以分别以：2台工频运行，1台变频（50Hz以下）运行；1台停运，1台工频运行，1台变频运行；2台停运，1台变频运行。这样几种运行方式既满足了供热需要，又提高了运行效率，并能起到节能的目的。但是在这样的运行过程中，特别是从工频电源切换到变频器运行时，要求变频器必须具有转速跟踪功能。这样电动机从电网切离后，在滑行情况下平滑切换，实现空转再起动功能，从而提高了连续运行的可靠性和稳定性。（2）自诊断连续运行用于生产设备中的泵经常会由于电源干扰发生跳闸事故，且原因难以查找。当发生异常工况时，变频器可首先进行自诊断，如果系统没有问题则自动复位后再起动，而且在这段时间内应利用速度检测功能找出自诊断过程中电动机降速的原因，并使其达到原速度，即要求系统应该肯异常停机恢复功能。（3）免跳闸运行功能泵传动具有下降转矩特性，有效的过载保护功能是使其运行在过转矩检测方式下。此时，一旦达到设定的过载电流值，变频器的输出频率就降低，即在运行中失速。对于这种具有下降转矩特性的负载，变频器可在平衡点作短时间运行，待负载下降后再自动恢复到原来所设定的频率。（4）电磁噪声把变频器应用于泵负载时，还应该注意电动机产生的电磁噪声。利用正弦波PWM变频器控制通用电动机时，会因谐波的影响产生噪声。为此，可在变频器与电动机之间装设电抗器（约为阻抗的3%4%），也可将U/f降低到负载相适应的程度，便可使噪声降低510dB。另外，目前已有面向中、小容量电动机的低噪声PWM变频器产品，其低速区域噪声约降低20dB，效果良好。（5）电动机的温升利用正弦波PWM变频器对通用电动机调速时，流过电动机的电流比应用工频电源时的电流约大5%，特别是低速运行时，电动机冷却风扇的冷却能力下降，此时必须降低负载转矩或限定运行时间。然而，当低速时的负载转矩和转速的二次方或三次方成正比下降时，则没有温升问题。为了起到有效的保护作用，可在电动机内装设热敏电阻元件，但此方式使电动机造价高、结构相对复杂。如果利用变频器系统软件进行保护，即根据电动机的电流、输出频率、运行时间以及电动机冷却能力等对电动机绕组温度进行仿真与控制，则是一种有效的保护方式，这种保护方式随运行频率变化，由于可以自动改变保护特性，故可以在整个控制范围内保护电动机。变频器在离心水泵上的应用离心水泵的调速方式离心泵所以能把水送出去是由于离心力的作用。水泵在工作前，泵体和进水管必须灌满水以形成真空状态，当叶轮快速转动时，叶片促使水很快旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中抛出去，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。水源的水在大气压力（或水压）的作用下通过管网压到了进水管内，这样循环不已，就可以实现连续抽水。在此值得一提的是：离心泵起动前一定要向泵壳内充满水，否则将造成泵体发热、振动、出水量减少，对水泵造成损坏（简称汽蚀），造成设备事故。目前离心泵的两种主要流量调节方式分别是出口阀门调节和泵变转速调节。泵变转速调节节约的能耗比出口阀门调节大得多，这点可以从两者的功耗对比分析中看出，通过离心泵的流量与扬程的关系，可以更为直观地反映出两种调节方式下的能耗关系。通过泵变转速调节来减小流量还有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性。当流量减小越多时，变速调节的节能效率也越高，但是，泵变转速过大时又会造成泵效率降低，越出泵比例定律范围。因此，在实际应用时应从多方面考虑，在两者之间综合出最佳的流量调节方法。锅炉给水泵的变频调速改造在锅炉调和中，给水泵系统通过向锅炉不间断供水，以保证锅炉的正常运行。某厂现有锅炉5台，其中SHL35-16-P型2台，SHL20-13-P型1台，T-18A-13型2台，总蒸发量为126t/h，供给本厂及相邻各厂的生产和生活用蒸汽。实际运行中炉前蒸汽压力较低，夏季一般为0.40.6MPa，冬季一般为0.50.7MPa，蒸发量变化较大，夏季为2035t/h，冬季为90110t/h。与锅炉相配套的给水泵型号为4GC-8X5，共6台，分为2组，每组3台，通过母管向各台锅炉供水。每台泵的额定流量为55m3/h，扬程为19m，驱动电动机额定功率为55KW。运行方式是夏季开12台，冬季开23台，其余备用。运行时，由于锅炉给水泵的供水能力大于锅炉的蒸发量，尤其是当锅炉负载越轻时，两者的差值越大，因此必须实行流量调节。传统的给水泵是连续恒速运行的，流量调节通过控制阀和回流支路来实现.（1）变频改造的可行性通过控制阀和回流支路这两种方法都存在明显的缺陷：采用控制阀时，随着阀门开度的减小，水泵出口压力上升，达到2MPa以上，阀门两侧的压差将增大，达到1.3MPa以上，远远大于原设计的水泵出口压力高于锅炉锅筒压力0.5MPa（包括给水垂直落差及管路压降）的要求，不但造成能量的浪费，而且使得水泵的振动和磨损加大，寿命缩短。采用回流支路调节时，大量水的回流同样造成能量的无谓消耗。因此，对给水系统实施技术改造，降低水泵的出口压力，消除回流，减少能源消耗和设备磨损，已成大势所趋。众所周知，离心水泵的运行遵循如下规律：流量Q与转速n与正比，扬程（压力）H与转速n的二次方成正比，轴功率P与转速n的三次方成正比，电动机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变电源可改变电动机即给水泵的转速。这里，4GC-8X5型锅炉给水泵是通用的多级离心泵，供输送110以下清水及物理化学性质类似于水的其它液体，适用于工业锅炉给水、工厂或城市给排水等。该型号泵比转速为80，为5级离心泵。变频调速技术是电力电子技术和微电子技术相结合的产物，以其优异的调速特性和显著的节能效果，在国民经济的各个领域了广泛的应用。当今，变频调速已成为交流电动机转速调节的最佳方法。水泵采用变频调速后，给水流量的调节就可通过改变转速的方法来实现，此时控制阀可开到最大开度，回流支路可切除，既能够方便地调节流量，又可降低能量消耗，使这一问题圆满的解决。（2）变频改造方案在本锅炉给水泵系统的改造方案中，可以实施以下两种方案：一是恒压供水，通过变频调速，使水泵的出口压力略高于锅炉锅筒压力，且为一个恒定值，可使水泵出口压力得以降低。但其出口压力必须大于锅筒的最大压力，否则当锅炉锅筒压力大于水泵出口压力时，将无法保证锅炉正常上水。当锅筒压力较低时，与水泵出口压力的差值仍然较大，上述现象仍不能有效改善。二是差压供水，分别取锅炉锅筒及水泵出口的压力，送入差压变送器，其压差信号经PID调节器与设定值（给定）进行比较后，送到变频器，控制电动机（水泵）的转速，构成闭环控制系统.运行中随着锅炉锅筒压力的变化，变频器的输出频率将自动改变，水泵的转速也相应改变，始终使水泵的出口压力跟踪且大于锅炉锅筒压力，其差值保持在设定值。这样在绝大部分时间里，水泵的运行速度将低于额定转速，因此不但水泵的功率消耗将大幅度降低，而且水泵的磨损也大为减轻。显然，第二种方案在节能效果、安全性、频繁操作程度的等各个方面皆优于第一种方案。于是，在本系统中选择了第二种方案。每组泵（3台）安装1台变频器（东芝55KW变频器），为提高设备运行的可靠性，设置了工频旁路，这样同组3台泵中的任意1台都可选择工频或变频运行，并且可方便快速地进行切换。这样一来，既可1台变频运行，又可2台变频并联运行，也可变频和工频并联运行。（3）变频运行效果该项目自调试完毕正式投入运行后，设定差压值为0.45MPa，关闭回流支路，打开控制阀。运行时随着锅炉锅筒压力的变化，变频器输出频率（即水泵转速）也随之改变，一般在3040Hz之间，水泵出口压力保持在1MPa左右，压差始终稳定在0.45MPa。经过长时间的运行观察来看，系统稳定可靠，操作方便，效果非常显著。为了对比改造前后的效果，用DTYC-92A型三相异步电动机经济运行测试仪分别对给水泵的3种运行方式进行了测试，即：工频运行、工频运行打开回流支路和变频运行。每种方式均测15min，4组数据。测试记录见.根据统计，改造后运行半年来的耗电量与上年同期的对比得出6个月的平均节电率为78.67%，累计节电22万KWh。改造前，由于水泵运行压力很高，水泵的磨损非常严重，通常每两周即须检修一次。改造后，检修周期大大延长，因此节约了大量的维修费用。由此可见，全部投资不到一年即可收回，经济效益十分显著。变频器在计量泵上的应用（一）泵的流量计量和计量泵的变频控制离心泵是泵中最常见的类型，它通过叶轮放置带动流体。离心泵的输出流量很大程度上信赖于泵的出口压头和液体特性（比重、黏度、悬浮率），如其流量曲线如图4-4所示。这种特性使得离心泵不适合对自身流量进行计量，必须对其增加控制装置，最常见的是增加一个控制阀。离心泵流量测的精度不可能达到很高水平，因为离心泵参数的任何烃化都可能改变流量。例如，流体温度的变化会改变黏度并影响泵的出口压头，如果没有矫正性装置最终会使被测流量发生变化。所以一般情况下，离心泵的流量测量只能在给下工况附近进行。而容积式泵的流量测量则可以更精确。无论这种泵采用的是回转式或往复式设计，每一转或一冲程都会吸入一定容积的流体。和离心泵不同，容积式泵没有流量曲线。输出流量如果随出口压力变化，这种现象和泵的设计特性（死区容积比，内部和外部泄漏）、密封装置弹性和输送流体的可压缩性有关。图4-4所示为离心泵和容积式泵的流量曲线，从图中可看出容积式泵流量与压力基本无关。容积式泵是靠容积变化来输送流体的，因此它不能和控制阀相连。控制阀的逐级闭合不会明显改变泵的吸入率和流量，反而会造成超压的可能性。在不需要高精度测量的情况下，容积式泵可以连接一个旁路阀，但现在这种设计方式已不太常见。现在更常见的是使用调速技术，很大程度上是因为这种技术具有价格优势和不断增强的可靠性。容积式泵的输出速率取决于泵腔的几何设计特性，输出速率在回转式泵中是转速的函数，在往复式泵中则是冲程频率的函数。窖式泵转速越大，单位时间泵吸入流体的容积就越大。容积式泵转速和输出流量之间线性相关，仅在一定程度上受泵窖效率的影响。在测量精度要求较高的场合需要使用计量泵。计量泵是一种往复式窖泵，它具有排量调节功能。输出流量泵流量调节量也是泵转速的函数。计量泵的排 量调节可通过以下两种设计方案达到。第一种方案是采用一种机械子系统使泵冲程长度在0100%之间变动。这种方案有多种设计方式，包括可调偏心轴式（最常用）、转动曲柄式、枢轴传动式，上述所有类型在加工行业中都经常使用。更简单的活塞空