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VSI100系列变频器在污水处理过程中的应用V1.0
日期: 2015-02-28
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本文来自2005年月第3期“环保行业应用”上,已经被阅读过684次
作 者 :  沈阳理工大学   李  岩      赵亚威     段洪玲
摘 要 :  本文分析了污水处理过程中,将变频器应用于污水泵的节能原理,提出了采用芬兰瓦萨控制系统有限公司生产的沃森变频器作为污水泵变频器件的设计方案。实践证明采用沃森变频器后,污水处理系统运行稳定,控制方便,节约能源,具有明显的经济效益和社会效益。
英文摘要 :This paper analyses the principle of saving energy in the treatment of waste water hrough applying inverter to the waste water pump,and proposes the scheme which adopt 沃森 inverter producted by the 沃森 control system limited company of Finland to control the waste water pump. After adopting 沃森 Frequency Converter, this system run steadily, save energy, be easy controlled and has gained considerable economic benefits and community benefits.
关键词:  沃森变频器   污水处理   节能

1. 引言
   随着人们对自身生活环境要求的不断提高,以及人们环保意识的增强,国家和社会对各种污染的治理越来越重视,由于水是有限的不可再生资源,所以对水污染的治理显得更加重要。
城市的各种污水经收集系统管道汇集到泵站,通过污水泵的提升、加压,送给下一级泵站,最后到达污水处理厂。在一般情况下,污水泵采用恒速交流电动机拖动,而污水流量却是变化的,为了保证污水的正常排放,工人要在现场经常调节挡板或阀门开度大小来控制污水的出水量。这样做不仅增大了工人的劳动强度,而且有大量的电能浪费在水泵阀门阻力的损失上。因此就要求污水泵处于变工况运行,若利用变频器进行调速,以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门,则不仅可以减轻工人劳动强度还能达到节约电能目的,对提高企业经济效益具有重要意义。

2. 污水泵变频控制节能原理
2.1 水泵特性分析
根据离心泵特性曲线的有关公式:
P=K1QH                       (1)
Q=K2n                         (2)
H=K3n2                         (3)

由(1)、(2)、(3)式得
P=K4n5                          (4)
P/Q=K6n2                        (5)

式中: K2,K2,K3,K4,K6 为常数;

P为泵机轴功率;
Q为泵机流量;
H为泵机扬程;
N为泵机转速。
(1)式说明在相同的轴功率下,若通过出口阀门调节泵机流量,将引起泵机扬程的相应改变流量越小,扬程变得越大,但实际排放污水时,由于扬程是基本不变的,由此就产生了更多的富余扬程。
(4)式说明泵机轴功率与转速的立方成正比,若设法减少转速,就可减小泵机轴功率 ,再由(1)可知,就可实现消除富裕扬程,而保持流量不变。
(5)式说明单位时间内,排放每m 3水能耗(即功耗)与转速立方成正比,这说明在达到实际排水扬程的前提下,转速越小,功耗越小。
2.2 电机特性分析
根据交流电动机的工作原理:                   
 

式中: f 为电机的电源频率;
p为电机的磁极对数;
s为转差率。
由于电机的s和p为常数,所以由(6)式可知电机的转速与电源的频率有固定的正比例关系。

2.3 节能原理
由电机特性分析可知,均匀改变电机供电频率f ,就可以平滑地改变电动机的转速,从而改变泵机的转速;结合泵机特性分析,降低电动机转速,电动机输入功率也随之减少,泵机轴功率就相应减少,功耗(单位时间内排放第m3污水的耗电量)也相应减少。这就是变频器控制污水泵的节能原理。
另外,污水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂,严重的可能造成电机的损坏,肯泵机起动和停止时需通过开启和关闭阀门来减小水锤的影响,如此操作不但工作强度大,而且难以满足工艺的需要。污水泵采用变频器调速以后,可以根据工艺的需要,实现泵机的软启和软停,从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下,可以降低泵机的转速,这样不仅避免了水泵长期工作在满负荷状态,造成的电机过早的老化,而且变频的软启动大大的减小泵机启动时对机械的冲击,也具有节能的作用。

3. 污水泵变频控制设计
变频器选用沃森电气有限公司生产的VSI100系列变频器作为变频调速系统的执行单元。沃森VSI100系列变频器是高性能矢量控制通用变频器。
它具有如下特点:
(1)采用先进的矢量控制算法,对电机磁通电流和转矩电流分别进行解耦控制,配合电机参数设定,动态补偿负载波动,能实现电机转矩的快速响应和准确控制,具有极高的稳速精度和快速动态响应,能满足各类高性能场合的传动控制要求。

(2)多种扩展卡满足用户需要。
(3)内置RS-485接口,通过扩展板可以接入符合国际标准的ModBus控制系统,满足日后组网要求。
(5)瘦长、节省空间的设计,安装灵活,集成了RFI滤波器能够满足工业等级防护要求。系统被控对象为3台45KW水泵电机,保留每台电机的原工频启动作备用,另外变频控制,两者通过机械联锁,即保证了泵机的政党运转,又便于系统的维修。液位测量变送器用于测量集水池液位信号变换成4~20MA的标准电信号,供给沃森变频器。图1所示为沃森变频器控制泵机的结构框图。
     

图1   沃森变频器控制泵机结构框图
   当集水池进水量增大时,液位测量仪发出的液位上升信号,并将此信号通过电信号形式传送给沃森变频器,使变沃森变频器输出的频率增大,水泵电动机转速上升,出水量也相应地增大,从而保持了集水池液位的相对稳定。
   当进水量较小时仅起动水泵电机1,随着进水量的增大(由液位测量仪的检测信号来反映),变频器输出频率逐渐上升,从而使水泵出水量也相应地增大,至泵机1满负荷仍不能满足液位要求时,泵机1转达为工频运行状态,同时起动水泵电机2进入变频工作状态,若还不能满足液位控制要求,则将水泵电机1、2都转为工频运行,泵机3进入变频工作状态。同理,当进水量不断降低时,系统使水泵电动机逐台从工频切换至高频运行状态,直至使其停止工作。各水泵电动机采用先入先出的工作次序,3台水泵交替工作如图2所示(图中L为出水量,T为时间)。
根据集水池实际液位波动的统计数据,设定满量程液位高度为6m, 设定液位上限的报警值为5.8m,液位下限的报警值0.8m, 高液位水泵电机工频/变频起动切换值为4.0m, 低液位水泵电机工频起动切换值为2.0m。每一水位区间可线性对应变频器输出的20~50Hz,当水位低于液位下限的报警值0.8m时为了保证泵机正常运作,不发生谐振,变频器输出不再随水位的下降而线性降低,而是输出20 Hz不变, 因此变频器的最低输出功率为20 Hz。     

                图2    3台泵机交替工作示意图

 

4. 结束语
污水处理过程中,污水泵在使用沃森变频器控制以后,不但免去了许多繁琐的人工操作,降低了不安全隐患因素,并且使系统始终下于节能状态运作,延长了设备的使用寿命,减小了维修工作量和维修频率,还可以实现电机的软起动,使起动电压降低,减小对电网的大幅冲击,便好地适应了生产需要,而且沃森变频器具有丰富的内部控制功能,可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制。因此,在污水处理过程中使用变频器具有很好的应用价值和推广价值。

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