变频调速在水泵循环中的应用探讨

2017-06-30张旭

中国科技纵横 2017年10期

关键词：水泵

张旭

摘要：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，它的主电路一般采用交-直-交电路。通过对变频器控制原理，控制方式的探讨，以及变频节能效果的详细分析比较，说明水泵采用变频调速的优点。并通过对变频器运行可靠性分析，说明了在应用中的可操作性及推广的可行性。

关键词：水泵；变频原理；V/F控制；节能原理；变频器的可靠性

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0051-02

1 概述

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，电压可调的交流电源供给异步交流电动机。变频器主要由整流，滤波，再次整流（直变交），制动单元，驱动单元，检测单元等微处理器组成。现在，可以结合PLC和计算机实现远程控制。在铝冶炼行业中，一般都采用大电流低电压的二极管三相桥式全控整流电路，采用水水冷的冷却方式，主水采用经过过滤的高纯水，通过板式交换器与付水进行热交换来调节温度。而付水由循环水站供给，但循环水站距离较远而且无人值守，所以该循环水站水泵必须采用远程控制。变频器的远程控制器是一种实现变频器远程操作的智能仪表，通过RS485网络远程控制变频器的启动，停止，加速，减速，并实时显示变频器的工作频率，转速等运行信息，而远程采用计算机控制，从而实现水泵的计算机自动化控制。

2 变频节能相关原理探讨

2.1 变频原理

从理论上我们可知，电机的转速N与供电频F有以下关系：N=60×f（1-S）/P

其中：P—电机极数 S—转差率

由式可知转速N与F成正比，如果不改变电动机的机数，只要改变频率F即可改变电动机的转速，当F在0～50Hz范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽，变频器就是通过改变电动机电源频率实现调速的，是一种高效，高性能的调速手段。

2.2 节能调速原理

一般使用的水泵，它们的额定水量都超过实际需要，又因工艺需要，往往在运行中通过改变水量的阀门来调节的。方法虽然简单，但是浪费电能较大，属于不经济的调节方式。从流体力学原理可知，水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下：当水泵转速下降时，电动机的功率迅速下降。通过流体力学定律可知，泵类设备属于平方转矩负载。其转速n与流量Q，压力H及轴功率p具有如下关系。

Q∝n，H∝n2 p∝n3即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速度的立方成正比。

2.3 变频器的电压与频率成比例的改变原因

异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧坏电机，因此，频率与电压要成比例的改变，即改变频率的同时，控制变频器的输出电压，使电动机的磁通过保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，这就是节能型变频器。电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加，但对于变频器驱动，如果频率下降时电压下降，即电机转速下降，电流也下降。

2.4 采用变频器调速，输出转矩分析

当变频方式运行时，随着电机的加速，应提高相应频率和电压，启动电流被限制在150%额定电流以下。但用工频启动时，起动电流为6～7倍的额定电流。采用变频器传动，可以平滑地起动，起动电流为额定电流的1.2～1.5倍，起动转矩为70%～120%额定转矩。变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用于工频电源驱动时的起动转矩和最大转矩。例如，工频起动时，会产生一个较大的冲击，而当使用变频器时，变频器的输出電压和频率时逐步加到电极上的，所以，电机的起动转矩要小于工频起动的转矩值。在运行过程中，电动机产生的转矩要随频率的减小而减小。

2.5 变频器采用V/F控制的特点

V/F控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机的电压，使电动机磁通过保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降，因为是控制电压与频率之比，称为V/F控制.V/F控制的特点：（1）低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化。（2）是无法实际控制电动机的实际转速。由于V/F是开环控制，由异步电动机的特性曲线可知，设定值为额定频率，也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以V/F控制方式无法准确控制电动机的实际转速。（3）频率下降时，完全成比例的降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速时产生转矩有减少的倾向。因此，在低频时要使输出电压略高一些，以便获得起动转矩。（4）恒磁通调速，因为设计电动机时，总是让电动机在额定频率和电压下工作时的气隙磁通接近磁通饱和值，因此，在电动机变频调速时，要保持每极磁通量为额定值不变.如果过分增大磁通又会是铁心过分饱和，从而导致励磁电流急剧增加.绕组过分发热，功率因数降低，严重时会因绕组严重过热而损坏电动机，故而希望在频率变化时，仍保持磁通恒定，即实现恒磁通调速。

2.6 V/F控制变频器的起动频率

启动频率是指变频器启动时的初始输出频率，设定合适的启动频率，可以有较高的起动转矩，对于某些静止状态下摩擦力较大的现象，在启动瞬间可获得一些冲击。启动频率持续时间，是指变频器在启动频率下保持运行的时间。可以看出，在变频器启动升速过程中，当给定频率小于启动频率时，变频器输出为0。

3 变频器节能探讨

4 变频器的运程控制

什么是变频器的运程控制。在许多场合，电动机与操作室距离较远，如将变频器安装在现场，不便与工人的观察与操作，如安装在室内，则动力线拉的距离太远，成本高且对变频器本身及系统中其他设备造成干扰。变频器运程控制器是一种实现变频器运程操作的智能仪表。通过以RS485网络远程控制变频器的启动，停止，加速，减速，并实时显示变频器的工作频率，转速等运行信息。

现在使用的变频器是采用交—直—交方式（V/F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，电压可调的交流电源供给电动机。

变频器主要有整流，滤波，再次整流（直变交）制动单元，驱动单元，检测单元等微处理单元组成。

5 变频器的可靠性分析

5.1 模块的过热保护

变频器的故障率随温度升高而成抬数的上升，使用寿命随温度升高而成抬数的下降，环境温度每升高10度，变频器寿命减半。变频器内部设备的检测元件，当温度超过一定值时，变频器将跳闸。

5.2 过电流保护功能。

（1）电动机堵转。（2）变频器输出侧短路。（3）运行过程中加速过电流。（4）变频自身引起的过电流。

5.3 过载保护功能

过载保护功能是保护电机过载的，从根本上说，对电动机进行过载保护的目的，就是使电动机不因过热而烧坏，依据是电动机的温升不应该超过其额定值。

5.4 过电压保护功能。

（1）电网电压过高时，跳闸保护。

（2）降速过电压。