关于变频调速给水的节能问题.docx

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1、 给水排水设备分会工作网站 广告预定 协会介绍 组织机构 收藏本站 留言簿 首页行业动态政府文件法律法规标准规范技术论文企业名录定点企业推荐产品专家学者行业论坛 关于变频调速给水的节能问题北京义力达通用机械公司 符锡理据统计资料报道，我国现有约5000万台水泵和风机在运行，总计年用化量可达约1000亿度。泵和风机均属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，泵、风机的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的1/8。流量是给水系统在使用过程中需要调节的主要参数。由水泵通过管路供水的理论可知，调节流量原则上有两大方法；一是节流调节，泵的

2、转速不变，改变供水管路上阀门的开度以调节流量；开大阀门，流量增加；关小阀门，流量减少。采用流调节，有大量能量消耗在节流损耗上。调节流量的第二种方法是变速调节，即供水管路的状态不变(供水阀门度不变)，改变泵的转速以进行流量调节；转速升高，流量增加，转速降低，流量减少。用调速调节流量可以大幅度降低节流能量损耗，具有显著的节能效果。我国政府机关(国家科委、国家经贸委)在颁发的中国节能技术政策大纲中把泵和风机的变频调速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。众所周知，建筑给水泵绝大多数足用三相异步电动机驱动的；变频水泵就是通过就频器供电的水泵。自从二十世纪八十年代以来大量各种品牌国外变频器进入国内

3、市场，我国也自行研制生产了若干品眚的国产变频器，变频器在我国国式经济各部门中获得了广泛的应用。对于建筑给水来说，用得最多的是变频调速恒压变量给水。 在现代建筑生活给水系统中，采用变频调整泵一台或多台给水的突出优点是：1.采用变频调速给水可以大幅度降低节流能量损耗，具有优异的节能效果。采用变压变量给水可以做到使节流损耗降低到零，具有最佳的节能效果，但是这种变压变量给水系统只适用于特点是给水管路系统，没有通用性。国内外一种宵用的具有一定能用性的变压变量给水系统是准变压奕量给水系统；这种给水系统的给水压力随给水流量的增大而跃阶上升；对于多泵联的供水设备，当多投入一名泵工频，给水恒压值上升一个台阶；台

4、阶值可以按需设定。这种准变压变量给水系统(设备)可以适用于没给水管路，具有一定的通用性。2.变频恒压变量给水系统(设备)的给水压力可调，在设计上允许降低给水压力的计算精度，在使用上可以适应不同的给水压力要求。建筑给水节能的基本原理如下：设要求的给水流量为QO-Qmax；要求的给水扬程为HHmin-Hmax。给水流量取决于使用，夜间不用水时QO，白天用水高峰时QQmax。最小给水扬程Hmin应保证能把水供向一定高度；最大给水扬程，HminHminQ2nax(管路流阻损失)。建筑给水系统能常按Qmax及Hmax值来确定给水泵的台数及大小。应当指出，建筑给水系统通常多采用多泵并联的给水系统。要求建筑

5、给水节能，首先要求给水泵处于高效率区工作。众所周知，高佳心泵的高效率区处决于泵的工况(n、Q、H值决定是泵的工况点)。当采用变频调速(n值可变)，则泵的高效率区扩大，因此采用变频调速可以节能。其次是防止给不泵出现大马拉小车的工况。因为给水系统要满足Qmax及Hmax的工况，如果彩1台泵，当小流量用水时必然出现大马拉小车的工况，此时水泵的效率低，功率浪费大。为了防?quot;大马拉小车，通常的做法是采用多台水泵并联给水的方式，多用水多开泵，少用水少开泵，可以显著减轻大马拉小车弊端的出现，改善节能的效果。理论分析及实际使用证明，多泵并联变频调速给水可以显著提高节能效果。所以现代建筑生活给水系统大多

6、采用多泵并联恒压变量(或准度变压变量)给水方式。采用多泵并联给水，按变频调速恒压给水原理，在多泵并联的给水系统中，只要其中有一台是变频调速泵，就可以达到恒压给水的目的；为了达到恒压给水，变频泵必须是并联泵中的最大者；最经济的配泵方集是各并联泵的大小相同。从节能考虑，并联水泵的台数愈多愈好；但是如数太多，设备的机械结构及电气控制系统的复杂程度也随之上升，系统(设备)的整体经济、合理性下降。所以合理的应采用并联水泵不多也不少的最经济方案。结论1.当用水参数Q及H一定不变(循环泵)，从节能考虑无必要采用变频调速。但是，采用变频调速，可以调节水泵的工况点，使之处于高效率区工作。2.当用水流量Q经常变化

7、，采用多泵并联的变频恒压变量(或准变压变量)给水具有的节能效果。变频恒压变量(或准变压变量)给水的纪泵方案，一台变频调速泵(其余工频恒速泵必须是各并联泵中的最大者。最经济的纪录方案各并联泵的大小相同。 3.为了取得优良的节能效果，选泵时应注意使工频泵在恒压供水情况下处于高效率区工作(恒压值的H常数的水平线与工频泵HQ曲线的交点位于高效率区)。参考文献1.符锡理，变频调速泵供水原理及实践，变频器世界，1999，N010。2.符锡理，多泵并联变频调速恒压变量供水水泵的配置与控制，给水排水技术与产品信息，2000，N03。作者通信处：100076，北京9245信箱总2办(010)67995548 -

8、 信息中心 正文 变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势 The Current Situations and Development Trend for Energy Feedback Control Technology of Frequency Converter 山东大学控制科学与工程学院 张承慧 杜春水 马永庆 程全征 马运东 Zhang Chenghui Du Chunshui Ma Yongqing Cheng Quanzheng Ma Yundong 摘 要:通用变频器能量回馈PWM控制系统是一种采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。它可以克服通用变

9、频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足，使通用变频器可在四象限运行。本文首先回顾了变频调速能量回馈控制技术的发展历史及现状。设计了一种基于智能功率模块IPM的新型控制系统，并详细介绍了主电路、控制电路、驱动和保护电路的设计思路。最后指出了能量回馈技术的发展趋势。 关键词:变频调速技术 能量回馈 再生制动 PWM控制 智能功率模块 检测技术 Abstract:General inverter energy feedback control system is a kind of device which feeds the regenerative energy produ

10、ced by motor when decelerates and brakes back to the AC pow-er supply. It can overcome the disadvantages of the traditional method in low efficiency because using braking resistance. And it is easy to meet the need of braking rapidly and the need of running between forward and reverse frequently. Th

11、erefore inverters can run in four quadrants.The paper firstly reviews the development history and current situations of inverter energy feedback control technology, then, the paper gives a kind of new type control system based by Intelligent Power Module (IPM), and introduces the design of the main

12、circuit, control circuit, driving and protect circuit in detail, points out the development trend of inverter energy feedback control technology at last. Keywords: Frequency Converter Energy feedback Regenerative braking PWM control Intelligent Power Module Detecting technology 中图分类号 TM921 文献标识码 A 文

13、章编号 1561-0330(2002)03-0004-06 1 引言 变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益1。但是，在对调速节能的一片赞誉中，人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。事实上，从变频器内部研究和设计的方面看，应用或寻求哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高？怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网？这正是提高效率的两个重要途径。第一个环节是通过变频调速技术及其优化控制技术实现按需供能，即在满足生产机械速

14、度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量;第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地回收到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，一方面是节能降耗，另一方面是实现电动机的精密制动，提高电动机的动态性能。本文讨论的就是变频调速系统节能控制的第二个环节变频调速能量回馈控制技术。在能源资源日趋紧张的今天，这项研究无疑具有十分重要的现实意义。 2 通用变频器在应用中存在的问题 通用变频器大都为电压型交-直-交变频器，基本结构如图1所示。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电

15、给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围2。

16、3 国内外能量回馈技术研究现状 为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中3。同时，已见到国外有四象限电压型交直交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道4-9。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式10-13，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大

17、功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点14-18: (1) 浪费能量，降低了系统的效率。(2) 电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。(3) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。 上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统。国内关于能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实验阶段，目前已经见到有关的文献报道14-18，但尚未见这方面产品的报道。 4 能量回馈系统的拓扑结构 按照所选用的功率开关器件的不同，能量回馈系统的拓扑结构可分为半控器件型结构和全控器件型结构两

18、大类。 4.1 半控器件型(晶闸管型)结构 由于晶闸管的耐压、耐流、耐浪涌冲击能力是全控型功率器件所无法比拟的，加之驱动、保护电路简单，价格低廉等原因，采用晶闸管构成有源逆变电路在七、八十年代获得人们普遍的研究，即使在现阶段也仍有一定的实际意义。下面将要介绍几种基于晶闸管的有源逆变电路的结构、基本原理以及优、缺点的对比。 (1) 可控整流-可控有源逆变型 该方式是人们早期研究的一种方案。基本思路是在可控整流桥的基础上再反并联一套有源逆变装置，当电动机处于电动状态时，整流桥T1T6工作;而当电动机处于发电状态时，随着直流回路电压的升高，三相可控整流器被封锁，三相可控有源逆变器T1T6工作，将能量

19、回馈到电网中，同时该方式有效的阻断了环流的发生。其主回路结构如图2所示。 众所周知，在晶闸管逆变电路中，为保证逆变器换流的可靠性，对逆变角有一定的限制，即min=300，同时为满足有源逆变的条件，避免直流环流，还应使变频器的最高直流侧电压Udmax小于逆变电压Umin，即: (1) 式中:E为电源相电压有效值， Um为允许的最高泵升电压。由(1)式可知，min应大于min。于是带来了两个问题: 1) 较大的min将引起波形畸变干扰电网，并降低了电网的功率因数。 2) 直流回路电压降低将使常规380V交流电机得不到充分利用。 为此人们又提出了一种可行的解决办法，就是将有源逆变器通过升压变压器与电

20、网相连，整流电路改为不可控。显然，波形和功率因数都可得到改善，升压变压器可以切断上下桥臂产生的直流环流，同时为了限制交流环流以及满足有源逆变条件在电路中设置了电抗器，但它又有如下缺点: 1) 增加的变压器和环流电抗器使装置的成本提高、体积增大。 2) 因只要U U就会启动逆变装置，使逆变桥频繁工作，损耗增加;由于逆变电流较小，会使电流断续而造成电网电流波形畸变，产生高次谐波，使功率因数降低。 虽然可以采用电压、电流滞环控制方法来克服这一缺陷，但所有的控制均基于对逆变角的控制，这就大大增加了角的控制难度。特别是在发生误触发时，没有有效的方法防止有源逆变器颠覆而产生的短路电流。 (2) 可控整流/

21、有源逆变复用型 Keiju.Matsui 等人提出了以下几种拓扑结构18-19，其基本思路是利用一套可控整流桥既完成整流，又实现有源逆变，这样就可以减小装置的体积，降低成本。 1) 多脉宽调制(MPWM)方式 主电路结构如图3所示。采用一个电抗器和一个大功率晶体管作为能量暂存环节。900(工控新闻 双击自动滚屏 请选择搜索类别 所有类别 变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析 2003-8-15 8:50:20 阅读6067次 变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析 一、引言 在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维

22、修费用占到生产成本的7%25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。 而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。 八十年代末，该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一

23、个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。 二、综述 通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。

24、从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。 泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。 风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。 近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采