首先介绍水泵固态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，采用固态控制系统节能效果显著。具有明显的经济效益和社会效益。

关键词：固态变频器、节能技术。

节能技术是一项集现在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1995年将其列入国家级重点推广的科技成果项目。

现在我国工业生产进入了迅猛的发展时期，电力工业虽然有了长足进步，但能源的浪费却是惊人的。据有关资料报导，我国风机、水泵、空气压缩系统总量约7000万台，装机容量约2亿千瓦，但系统实际运行效率为30—40%，其损耗电量占总电量的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、  水泵固态控制系统的设计原理：

水泵固态控制器可以是手动的，目前国内在水泵控制系统中使用固态控制调速系统的技术大部分是在开环状态下，即人为的根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速的。水泵变频调速控制系统的设计，根据工厂生产工艺上的需要，冷却水供水要求。考虑若干方面的因素。采用闭环调速控制。

 

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100KW，流量792m/h；轴功率83.3KW；扬程32M。

2）变频控制器选用FRN110/P95—41适配通用。电动机功率110KW；额定容量160KVA；额定电流210A；一般用于连续运转的混合的控制器选择。

3）压力测量变送器（PT）选用DLK100—OA10—1MPA。

4）调节器（PIO）选用WP—D905，输入信号4~20mA，输出为PIO；控制信号4~20mA。

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4~20mA的标准电信号，送到调节器与工艺所需的控制指标进入比较，得出偏差。其偏差值由调节器按预先制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将输入为380V/50Hz的交流电变成输出为0~380V/0~400Hz连接可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。

2、  水泵固态控制器在运行中的节能原理。

图1 水泵控制调速时的H—Q

 

图1为水泵调速时的全扬程特性（H—Q）曲线。用阀门控制阻力变大，阻力曲线从Q减小到Q₁，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R移动到R’，扬程则从H₀上升到H₁，运行工况点从A点移到B点，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/107η

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）

H—使用工况点的扬程（M）

r—输出介质单位体积重量（kg/m³）

η—使用工况点的泵效率（%）

可求出运行在B点泵的轴功率和C点泵的轴功率分别为：

P_B=Q₁H₁r/102η……………………………………（2）

P_C=Q₁H₂r/102η……………………………………（3）

两者之差为

A_P=P_B-P_C=Q₁（H₁-H₂）r/102η……………………（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，根据测量Q，扬程H，功率P和转速N之间的关系有：

Q₂/Q₁=N₂/N₁

H₂/H₁=（N₂/N₁）²…………………………………（5）

P₂/P₁=（N₂/N₁）³

 

由式（5）可知，流量Q与转速N的一次方程成正比，扬程H于转速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，如果不是用关阀门的方法，而是把电机转速度降下来，那么在运转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，这就是水泵调节能控制原理，变频固态控制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。

N=60f（1—s）/P……………………………………（6）

式中

f—水泵电机的电源频率（Hz）

P—电机的极对数

S—转差率

由（6）式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源。频率f就可以平滑的改变电动机的同步转速，电动机转速变慢，轴功率就相对的减少，电动机输入功率也随之减少，这就是水泵固态控制器的节能作用。

3、运行效果及节能

水泵电机装上固态变频控制器后，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，采用变频固态控制器后，实测的有关数据如表1、表2所列：

参数

状态

电机运行电流（A）

电机运行频率（Hz）

水泵出口压力（MPa）

有功功率（KW）

功率因数

阀门开度（%）

阀门调节

110

50

0.7

64

0.8

60

变频调节

40

30

<0.3

30

3.0

100

表2 采用变频固态控制器前的节能效果对比

参数

时间

排水量（T）

总用电量（KWh）

平均耗电量（KWh/月）

每月节电效率（%）

备注

2003

42600

875000

72597

 

采用前

2004

47800

616200

31247

52

采用后

从以上数据对比结果分析可知：

1）    节能效果非常显著，采用变频固态控制器技术后，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41350KWh，月平均节电率为52%，按日前工业电价0.9元/KWh计，每月可以产生直接经济效益3.6万余元，具有明显的经济效益。

2）采用变频固态控制器技术后，电机定子电流下降45%，电源频率下降40%，水泵出水压力降低47%由于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，由于变频固态控制器启动和停止，减少了对电网的冲击。

3）采用变频控制器技术后，由于水泵出口阀门全开，消除了阀门节流而产生的噪音，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，变频固态控制器，可以自动进行启动，停止，自动调节，控制精度高，能保证生产工业稳定，提高了设备的安全稳定运行。

5、由于变频控制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，变频固态控制器技术由于水泵控制系统具有启动，控制性能好，节能效果显著，运行安全稳定等优点。在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种节能的装置，对于提高劳动生产率，降低能耗具有重大的现实意义。可以说，采用变频控制器技术是一项利国利民，有广泛应用前景的高新技术。