FITDocument(DHH建筑电气PDF建筑电气06年

渊冤水泵调速节能原理图1引言泵是工业中的通用设备袁其耗能在工业用电中占很大的比重遥许多工业中的泵处于开环尧恒速尧全天24h连续运转状态袁这些设备一般都是根据生产中可能出现的最大负荷条件来选择的袁而实际运行中往往比设计值要小得多遥如果在泵系统中采用调速技术袁使系统能根据需要运行袁将提高效率尧减少浪费袁使泵的电耗明显下降遥如果电机不采用调速控制袁则泵的流量通常只能通过调节阀门来控制袁其结果是造成很大的能量损耗遥就上述情况袁下面首先分析了水泵调速节能和变频调速原理袁然后详细论述了泵的调速节能方法尧调节原理及适用条件等袁为合理选择泵的调速方法提供一些参考遥2水泵调速节能原理如下图所示袁曲线N0是在转速n0时的水泵特性曲线渊Q要H曲线冤袁曲线R0为管网正常运行时的管网特性曲线渊撞Q要h曲线冤袁A点为水泵的运行工况点袁此时的流量为Q1袁水泵的扬程为H1渊一般来说袁Q1为管网的最大流量袁H1为管网所需的最大扬程冤遥在水泵恒速运行情况下袁如果管网所需水量减少袁要将流量Q1减少至Q2袁须关小阀门袁此时管网的阻力变大袁管网特性曲线由R0变为R1袁水泵的扬程必定会升至H2袁水泵的运行工况点为B点遥在水泵变速运行情况下袁不需调节阀门袁通过调节泵的流量袁管网特性曲线仍为R0袁要使流量Q1减少至Q2袁只需将水泵的转速调整到n1袁此时袁水泵的阴马冰雪乞坤刚渊北京首都国际机场100621冤泵用交流电机调速方法及摘要根据泵在不同工况下运行的性能与特点袁分析了变流量运行时袁泵流量尧扬程(压头)尧功率与转速间的关系遥通过对使用调速方法与阀门节流对比袁阐述了调速节能原理及经济效益遥详细论述了泵的变极调速尧调压调速尧差动调速尧液力耦合调速尧串级调速及变频调速等调速方法尧调节原理及适用条件袁以提高水泵效率袁达到节能的目的遥关键词泵电机调速节能电气节能泵用交流电机调速方法及节能分析研究渊马冰雪乞坤刚冤4141PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com渊冤扬程变为H3袁水泵的运行工况点为C点遥水泵的轴功率可表示为院P=KQH/浊渊1冤式中院Q要要要流量曰H要要要扬程曰浊要要要泵的效率曰P要要要泵的轴功率曰K要要要常数遥水泵在B点运行时袁水泵的轴功率为院PB=KQ2H2/浊渊2冤水泵在C点运行时袁水泵的轴功率为院Pc=KQ2H3/浊渊3冤B点和C点的轴功率差为院吟P=PB-PC=Q2(H2-H3)K/浊渊4冤即水泵在恒速运行情况下袁阀门调节流量比水泵在变速运行情况下用调速来调节流量浪费掉功率吟P遥水泵在变速运行时袁流量Q尧扬程H尧轴功率P与转速n之间的关系为院Q1Q2=nn袁H1H3=nn袁PAPC=nn渊5冤由上式可知袁流量与转速成正比袁扬程与转速的平方成正比袁轴功率与转速的立方成正比遥因此袁转速控制比流量控制可以大幅度降低轴功率袁从而节能遥3水泵变频调速原理变频调速是改变供电电源频率的一种调速方法袁异步电动机的转速n袁当转差率变化不大时袁基本上正比于电源频率袁只要能平滑地调节电源频率袁就可平滑地调节电动机的转速遥n=(1-s)60f1p渊6冤式中袁n为电动机的转速曰f1为异步电动机定子电势频率曰p为电动机的极对数曰s为转差率遥s=f2f1=f1-fMf1=n1-nn1渊7冤式中袁f2为异步电动机转子绕组的转差频率袁fM为异步电动机转子旋转频率袁n1为同步转速遥在变频调速时袁如果使f2与f1成线性变化袁即保持s不变袁则转速n与定子频率f1成线性变化遥但有时需要使f2保持为常数或者使f2随f1按某一非线性函数关系变化袁这时转差率s就不是常数袁转速n与异步电动机定子频率f1也就不是严格地成正比变化遥然而袁在许多实际应用中袁s的变化范围不大遥如果s的变化忽略不计袁则可以认为袁调节定子频率f1时袁异步电动机的转速n即随之成正比变化遥4泵用交流电机调速方法4.1变极调速异步电动机的转速与极对数的关系如式渊6冤所示袁如供电频率固定袁改变极对数p可以改变转速n袁这种变速是有限的袁一般只有两个转速曰多于三级变速将使电机结构过于复杂袁一般不用遥由于不能无级调速袁电机仍然不能运行在最佳工况下袁泵组综合效率不高袁但相对传统的阀门调节有很大的节能效果遥文献也3页对130MW机组汽机循环水系统Y1250-12型循环泵电机进行变极调速改造袁130MW机组闭式循环水系统袁最佳状态是随着汽机真空度和凝汽器进水温度的变化袁通过改变循环水泵转速来调节循环水水量袁以达到节能目的袁实现机组最佳经济运行遥4.2转差功率消耗型调速系统4.2.1调压调速异步电动机定子和转子的参数为恒定时袁电动机电磁转矩M与定子绕组上的电压U2成正比关系袁改变定子电压U袁即可改变电磁转矩M袁从而改变电动机在一定输出转矩的转速也2页遥那么袁转速与负载的关系如何袁是实际工作经常遇到的问题遥异步电动机的效率浊为输出功率P2与输入功率P1泵用交流电机调速方法及节能分析研究渊马冰雪乞坤刚冤渊冤10202130312006年第期4242PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com渊冤之比遥在忽略机械损耗尧定子铜耗和铁损尧附加损耗前提下袁电动机的效率为电动机轴上输出的机械功率Pm与电磁功率Pd之比袁即院浊=P2P1抑PmPd=K忆MnK忆Mn1=1-s渊8冤电动机的转差功率Ps为院Ps=sP1=sP21-s=s1-sK忆M2n渊9冤其中n1为电机同步转速曰n为电机实际转速曰M为电机电磁转矩曰M2为电机负载转矩曰K忆为常数遥而电动机负载特性可以用公式院M2=cna渊c为常数袁a取值为0尧1尧2冤渊10冤式中院a为0尧1尧2时分别表示恒转矩负载尧转矩与转速成正比的负载尧转矩与转速平方成比例的负载也4页(泵类负载)袁式渊10冤代入式渊9冤可得院Ps=K忆cn1s(1-s)a渊11冤电动机的机械输出功率P2为院P2=K忆M2n=K忆cna+1渊12冤对于恒转矩负载(即a=0)院Ps=K忆cn1s=K忆c(n1-n)渊13冤P2=K忆cn渊14冤即转速n下降时袁P2减小袁但Ps却增加了袁且Ps增加的值和P2降低的值相等袁所以P1保持不变袁此时调压调速无节能作用遥对于转矩与转速平方成比例的负载(泵类负载袁a=2)院P2=K忆cn3渊15冤Ps=K忆cn3s/(1-s)=K忆cn2(n1-n)=K忆cn1n2-K忆cn3渊16冤P1=P2+Ps=K忆cn1n2渊17冤转速n下降时袁P2以速度的3次方的关系降低袁尽管此时Ps增加袁但Ps增加的值远小于P2的值袁所以P1按转速平方的关系降低袁节能非常明显遥这就是对风机尧水泵尧空压机类负载调压调速可以大幅度节能的原因遥某水厂对40kW异步电动机袁使用成套产品PJF双向可控硅调压调速装置袁电路输出三相电压连续可调袁可实现电机无级平滑调速也4页遥设备负反馈系统袁具有一定调速硬度袁能自动调速袁且能保证电动机低速稳定运行袁设备在用水低谷期能根据水压变化袁自动调压袁一般速度调到额定转速的90%时袁就能满足用户水压要求袁节约的电能可在1年半内回收全部成本袁电机温度较调速前升高1耀3益袁不会因调速原因而烧毁电机遥尽管交流调压调速存在调速精度低袁调速范围小袁存在转差损耗等缺点袁但电路简单袁经实际核算袁成本只有变频调速的30%耀40%袁在拖动水泵尧风机和空压机类负载时袁其调速性能足以满足要求遥4.2.2差动调速差动调速装置的核心技术要要要差动技术是行星传动技术的一个重要组成部分袁它是利用2K-H轮系中三个自由度之间的运动组合关系来实现对输入转速与输出转速的合成尧分解及调整遥对泵类产品袁一般其输出转速的调速范围为额定转速的30%左右袁利用差动技术调速完全可满足这一要求遥另外袁差动调速技术用于泵类调速还可有效减小电机规格袁能使系统驱动功率接近负荷功率袁并由此提高电机运行效率和功率因数袁避免大马拉小车欠载运行袁更进一步有利于节能遥此外袁当外部条件发生变化而导致泵工作点进入低效区时袁调整转速改变泵的特性曲线袁使其工作点处于高效区内袁可提高系统运行效率袁亦可明显降低能耗遥对于大型泵的调速和启动袁差动调速装置是一种经济尧可靠尧方便的调速装置遥对无论其流量是否需要进行调节的泵袁采用差动调速装置均能收到明显的节能效果袁这在目前能源日益紧张尧产品能耗需严格控制的情况下尤其具有现实意义也5页遥4.2.3液力耦合调速液力耦合器是利用工作油来传递动力的装置遥泵用交流电机调速方法及节能分析研究渊马冰雪乞坤刚冤电气节能渊冤a+14343PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com渊冤它由泵轮尧涡轮和外壳组成遥泵轮和涡轮尺寸相同袁相向布置袁其内部都有许多径向叶片袁片数相差3~4片袁以避免共振遥泵轮的主轴和电动机的主轴直接相连袁或者经过增速齿轮与后者相连遥涡轮轴和泵的主轴连接遥泵轮与涡轮形成的工作油腔内的油从泵轮的内侧引入袁并跟随电动机轴高速旋转袁油在离心力的作用下袁被甩到外侧袁形成高速的油流袁冲向对面的涡轮叶片袁迫使涡轮一起旋转遥同时工作油又沿着涡轮叶片流向内侧袁逐步地减速并流回到泵轮的内侧袁构成了一个油的循环圆袁从而把电动机轴输入给耦合器泵轮的转矩袁转换为泵轮为工作油的动能和势能袁它们又在涡轮内转换为涡轮油的转矩袁传递给泵袁实现了电动机轴功率的传递遥改变工作油腔内循环的油量袁从而达到调速的目的遥液力耦合器具有如下优点院a.输入轴的转速不变袁输出轴可以无级地变速遥当它应用于水泵的调速时袁可以大量地节约电能遥例如上海某发电厂125MW机组的给水泵(3200kW)袁改用CO-46型(带有增速齿轮)液力耦合器袁每年节约电370万kW窑h也6页遥b.可以空载起动袁离合方便袁升速和传递转矩平稳遥对惯量大的负载可以实现软起动袁更加优越遥由于能够空载起动袁因而可以选用容量小的电动机袁减少设备的投资遥c.隔离振动和冲击遥例如驱动冲击性的机械负载时袁或者长距离输送石油或泥浆尧灰浆时袁可减少管道的水锤冲击袁对管子也有利遥d.过载保护遥耦合器和负载没有直接的机械联系袁而是柔性有滑差的传动遥当负载的阻力矩突然增加时袁耦合器滑差增大袁甚至于当负载机器制动时袁原动机或电动机仍能继续运行而不致于损坏遥装在耦合器外壳上的易熔放油塞还能及时地把流道中的热油自动排空袁切断扭矩的传递袁这对易于卡住的灰渣泵和破碎机之类的负载尤为适用遥e.多台工作机并列拖动负载时可用以均衡各电动机之间的负荷分配遥耦合器在运行中存在滑差袁转速稍有变化对转矩的影响不大袁使各电动机负载的分配比较均匀遥f.除轴承外无磨损部件袁工作可靠袁维修方便袁寿命长遥4.3绕线式异步电机的串级调速系统异步电动机的电磁转矩表示为院M=C椎I2cos渍2=C椎sE20r2+(sX20)姨cos渍2渊18冤式中院C为常数曰椎为气隙磁通袁当定子电压恒定时袁它也是固定的曰I2为转子电流曰E20为转子开路电势曰r2为转子电阻曰X20为转子绕组的相漏抗遥若在转子回路串接附加电势Ef改变I2袁便实现了电机的变速袁目前市面上流行应用的绕线式电动机组串级调速装置就是应用这一原理遥串级调速系统的总效率浊=P0/PW袁式中P0为电机输出功率袁即水泵的轴功率曰PW为电网输入功率遥由于吟P2+吟PS通常很小袁其中吟P2和吟PS分别为转子损耗功率和转差损耗功率袁大部分转差功率反馈到电网或进入电机附加绕组袁所以浊较高袁可达到92%耀95%遥串级调速系统的调速范围通常在70%耀100%ne袁在转差率很小的时候袁自然换流较困难袁因此转速95%ne及以上时就自动转换到额定异步转速(变为定转速运行)袁而且较易因为电源的波动或丢掉脉冲引起逆变系统的颠覆(这时系统会自动转为固定转差运行)遥外反馈串级调速系统的功率因数较低袁通常只有0.6左右袁当调速的幅度越大尧转速越低时袁功率因数越小遥这是因为逆变运行时逆变控制角改变了输出电流的相位袁使输入电动机的电流的相位角渊相对于电压相位冤渍变大袁因此cos渍值变小了遥采用电容补偿或强迫换相整流可以提高功率因数遥绕线式异步电动