一種變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的節(jié)電模型南京新聯(lián)電能源服務(wù)有限公司用電分析部：孟慶海2016年9月26日一、背景1、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如水泵、砂泵、風(fēng)機(jī)類、攪拌機(jī)等螺旋漿類負(fù)載）應(yīng)用十分廣泛，總裝機(jī)容量約占工業(yè)電力拖動(dòng)總量的50%，尤其是在冶金、石油、化工、食品、發(fā)電、供水、大型樓宇空調(diào)等行業(yè)中，變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載數(shù)量多、功率大，已經(jīng)成為這些企業(yè)的通用機(jī)械設(shè)備，也成了企業(yè)的用電大戶。變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性具有共同的特征，流體的流量與轉(zhuǎn)速成正比、流體的壓力負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。即轉(zhuǎn)速的大小變化，將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩和輸出機(jī)械功率的強(qiáng)烈變化。研究變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的實(shí)際工況，應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)和手段，使拖動(dòng)電機(jī)與變轉(zhuǎn)矩負(fù)載及實(shí)際工況處于最好的匹配運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于做好變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的節(jié)能降耗，推進(jìn)企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)水平，大幅度降低生產(chǎn)成本是十分有益的。2、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行特性分析1）設(shè)計(jì)中的設(shè)備選型，通?？紤]的裕量過大。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，風(fēng)機(jī)、水泵類的流量裕度分別為5%?10%，風(fēng)壓、揚(yáng)程裕度分別為10%?15%。設(shè)計(jì)過程中很難計(jì)算管網(wǎng)的阻力、并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過程中發(fā)生的各種問題，通?？偸前严到y(tǒng)的最大風(fēng)量、流量和風(fēng)壓、揚(yáng)程裕度作為設(shè)備選型的依據(jù)，但風(fēng)機(jī)、水泵的型號(hào)和系列是有限的，往往選取不到合適的風(fēng)機(jī)和水泵型號(hào)時(shí)就往上靠，裕度大于20?30%比較常見。因此這些風(fēng)機(jī)、水泵運(yùn)行時(shí)，只有靠調(diào)節(jié)閥門或風(fēng)道擋板的開度來滿足生產(chǎn)工藝對(duì)流量的要求。風(fēng)機(jī)和水泵的機(jī)械特性均為平方轉(zhuǎn)矩特性，水泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，用閥門的開度調(diào)節(jié)流量來滿足供水、供風(fēng)要求，利用調(diào)節(jié)風(fēng)門、風(fēng)道檔板或閥門的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，水泵流量的方法、稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。在節(jié)流調(diào)節(jié)過程中，風(fēng)機(jī)或水泵固有特性不變、僅僅關(guān)小風(fēng)門、擋板或閥門的開度，人為地增加管路的阻力，由此增大管路系統(tǒng)的損失，不利于風(fēng)機(jī)，水泵的節(jié)能運(yùn)行。風(fēng)機(jī)、水泵的額定流量、揚(yáng)程遠(yuǎn)大于實(shí)際需求流量、揚(yáng)程。絕大多數(shù)流體系統(tǒng)中設(shè)備都是滿載驅(qū)動(dòng)、全功率輸出，與實(shí)際工況需求不匹配。風(fēng)量、流量調(diào)節(jié)都是通過調(diào)節(jié)管道風(fēng)門擋板、閥門開度、回流來實(shí)現(xiàn)。這種風(fēng)量、流量調(diào)節(jié)方式不僅使風(fēng)機(jī)、水泵等變轉(zhuǎn)矩負(fù)載設(shè)備的效率降低，而且還造成很多能量白白消耗在擋板、閥門的阻力上。為改善流體系統(tǒng)的運(yùn)行工況，節(jié)約電能，增加經(jīng)濟(jì)效益，如采用調(diào)速裝置，控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來取代流體系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的風(fēng)門擋板、閥門開度、可改善設(shè)備的運(yùn)行性能，提高設(shè)備的效率，節(jié)約大量的電能。很多變轉(zhuǎn)矩負(fù)載均可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，流體控制參數(shù)，采用調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳匹配運(yùn)行。2）傳統(tǒng)流體工藝參數(shù)（流量、壓力）的調(diào)節(jié)控制方法：流體參數(shù)調(diào)節(jié)方法：控制單元，控制流體設(shè)備起動(dòng)，全負(fù)荷運(yùn)行，管道閥門100%打開。當(dāng)工藝需求流體參數(shù)減少時(shí)，通過人為關(guān)小閥門的開度或開大回流閥門開度來達(dá)到調(diào)節(jié)流體流量、壓力的目的，使之與生產(chǎn)工藝需求相匹配。3）參閱相關(guān)資料，變轉(zhuǎn)矩負(fù)載（流體設(shè)備）軸功率與調(diào)節(jié)門開度的有如下比例關(guān)系：流量（%）調(diào)節(jié)門開度（100%）入口門控制軸功率（%）出口門控制軸功率（%）10010010010090739498805088947040829160307685502570814020647430135867201052584） 利用閥門開度來調(diào)節(jié)流體流量、壓力的方法存在浪費(fèi)電能的現(xiàn)象。5） 根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速從N1變?yōu)镹2時(shí)，流量Q、揚(yáng)程H、軸功率P理論上的變化關(guān)系為:Q2=Q1（N2/N］）H2=H1（N2/N1）2P2=P1（N2/N1）3Q-風(fēng)量（流量）H-風(fēng)壓（揚(yáng)程）P-風(fēng)機(jī)軸功率由上式可知風(fēng)機(jī)或水泵流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因而，理想情況下有如下關(guān)系。變轉(zhuǎn)矩負(fù)載（流體設(shè)備）軸功率與轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系如下：流量（%）壓力（揚(yáng)程）（%）轉(zhuǎn)速（%）軸功率（%）10010010010090819072.980648051.270497034.360366021.650255012.56）利用現(xiàn)代控制技術(shù)，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝運(yùn)行工況，改變流體設(shè)備的轉(zhuǎn)速來達(dá)到調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的目的，是一種改善設(shè)備運(yùn)行性能，提高設(shè)備運(yùn)行效率，節(jié)約電能的有效方法。3、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速控制節(jié)電模型3.1模塊功能3.1.1調(diào)速控制單元3.1.1.1具有輸出電壓、頻率調(diào)節(jié)功能。3.1.1.2具有流體參數(shù)設(shè)定功能。3.1.1.3具有比例、積分、微分（PID）調(diào)節(jié)功能。3.1.1.4具有數(shù)字量、模擬量（I/O）點(diǎn)輸入、輸出功能。3.1.1.5具有電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)、停止功能。3.1.1.6具有電動(dòng)機(jī)過載、短路、過電壓、欠電壓、接地、缺相等保護(hù)功能。3.1.2流體設(shè)備（三相交流電動(dòng)機(jī)）3.1.2.1驅(qū)動(dòng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)調(diào)速功能，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速隨電源頻率的變化而變化即轉(zhuǎn)速n=60f/p（n-轉(zhuǎn)速f-電源頻率p-電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)）3.1.2.2具有輸送流體功能。3.1.3變送器3.1.3.1具有將流體參數(shù)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)或電壓信號(hào)輸出功能。3.2調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制方法3.2.1根據(jù)生產(chǎn)工藝的需求，在調(diào)速控制單元內(nèi)，設(shè)置輸出流體所需參數(shù)的給定值。3.2.2給調(diào)速控制單元發(fā)出運(yùn)行指令，軟起動(dòng)運(yùn)行流體設(shè)備（泵、風(fēng)機(jī)）逐步達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行（系統(tǒng)中無流體或很少量）。3.2.3隨著流體設(shè)備輸送時(shí)間的推移，系統(tǒng)未段傳感變送器檢測(cè)到流體參數(shù)值的變化，及時(shí)將信號(hào)反饋到調(diào)速控制單元。3.2.4調(diào)速控制單元接收到傳感變送器的反饋信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，PID調(diào)節(jié)控制輸出電源頻率，頻率的變化速率與比較信號(hào)差值成正比。3.2.5流體參數(shù)經(jīng)過不斷地采樣、比對(duì)、調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，最終使流體輸出參數(shù)值穩(wěn)定在工藝所需要的范圍內(nèi)。運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)流體參數(shù)（流量、壓力）的需要設(shè)定流體參數(shù)輸出值，利用安裝在輸出端的傳感器，將輸出信號(hào)值反饋到調(diào)速控制單元與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)控制，調(diào)速控制單元輸出調(diào)速控制信號(hào)（頻率），控制調(diào)整流體設(shè)備的轉(zhuǎn)速，使流體輸出參數(shù)值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，從而達(dá)到連續(xù)、穩(wěn)定輸出工藝所需參數(shù)值的閉環(huán)調(diào)節(jié)。不僅改善了生產(chǎn)工藝控制過程，提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，而且節(jié)約了大量電能消耗，降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本。4、變轉(zhuǎn)矩（流體類）設(shè)備，采用閥門調(diào)節(jié)流量、壓力與采用設(shè)備調(diào)速調(diào)節(jié)流量、壓力的軸功率比較關(guān)系。1）采用檔板、閥門調(diào)節(jié)流量、壓力時(shí)對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)軸功率P擋與流量Q的關(guān)系為：P擋孑（0.4+0.6Q）*Pe （1）2）采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量、壓力時(shí)對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)軸功率？變與流量Q的關(guān)系為P變^Q3Ple^N3Pe （2）式中：Pe—閥門全開、額定轉(zhuǎn)速、額定流量時(shí)電動(dòng)機(jī)軸功率(kW)。N—電機(jī)轉(zhuǎn)速Q(mào)一流量參考文獻(xiàn)：GB/T12497-2