摘要：在工矿企业中大量地使用着风机、水泵、压缩机等,这些机械一般都以交流电动机驱动为主,实际应用证明, 智能流程泵节能装置的使用可取得意想不到的效果,特别是企业正在降低生产成本、提高经济效益的今天。本文介绍了智能流程泵节能装置在重催装置油泵控制中的应用及其节能效果。
一、概述
在工矿企业中大量地使用着风机、水泵、搅拌机、压缩机等,这些机械一般都以交流电动机驱动。其中大部分电动机均不是工作在额定功率,而经常只有额定功率的50%～70%,甚至更低一些(20%～70%)。但电动机大部分处在恒速运行状态,并以档板、阀门或放空回流的办法进行流量或压力的调节,从而白白损失大量的电能,功率越大的风机、水泵,损失的电能越多。
对于水泵和风机,表达其特性的参数有:流量(风量)Q,扬程(风压)H,功率P等。当转速从n1变为n2时,Q,H,P大致变化关系为:
Q2=Q1(n2 / n1)
H2=H1(n2 / n1)2
P2=P1(n2 / n1)3
即:流量与转速成正比,扬程与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。
如水泵的流量或风机的风量等调节,只需调节电机的转速就可以实现,而同时将大大降低电机的消耗功率,节约了电能。
根据电工学的基本原理,电动机的转速n由以下公式表示:
ｎ＝60ｆ（1-S）/ P
式中:n---电动机的转速
f1---供电电源频率
S---转差率
P---电动机的极对数
因此要改变电动机的转速,只要改变供电电源的频率或者改变电动机的极对数或者转差率就可以改变电动机的转速。
二、智能流程泵节能装置功能介绍
1．概述
1．1系统简介
系统组成部分及流程：现场数据采集=》A/D转换=》工控机数据处理=》通讯模块远程传输=》功率装置控制=》泵马达变速运行。
1.2 采集部分
采集部分是信号点的关键，在模拟量采集模块前端安装双输出通道安全隔离栅，将流量、阀门开度信号从原DCS系统中安全采取，通过模拟量采集模块将转换后的数据送人工控机进行运算处理。
1．2 运算处理部分
运算处理部分主要由研华公司的高性能工控机运算处理，它提供高速的处理性能及可靠开放性网络通信能力，从而能满足工矿闭环控制系统的实时性和远程控制能力。处理部分采用模糊的PID闭环运算，采用数学函数公式进行复杂的逻辑运算，根据转速与压力、流量间的函数关系，准确、实时的响应系统的需求流量，节能效果更加明显，稳定性更强。
1．3 输出部分
将工控机运算处理后的泵马达运转频率数据，通过远程通信RS-485网络，送入配电室。再通过通讯隔离模块将信号隔离后送入主控单元，实时根据需要的流量动态相应
1．4节能控制方式
原DCS系统中，流量需要变化时，原DCS系统自动或手动对自动阀门进行跟随变化，由此将阀门开度信号做为节能控制中的参考值，在节能控制中新加入了泵转速变量。在满足管压及扬程的条件后，使阀门开度按照一定比例比原来加大，再将原阀门开度信号做为流量控制的参考值，得知管道流量由流量传感器测定管道流量，转换成标准的电流信号，主控单元中用于控制泵转速，改变泵的流量，从而改管道流量。LBP系列高性能智能节能装置吸收了目前数字控制领域以及电力电子领域内最先进技术，并采用了旁路单元内置的单元结构，节能装置故障时随时切换到原系统运行，使装置运行可靠性大幅度提高。此外，装置的许多新功能为应用提供了更多解决方案，例如：装置整体尺寸与原系统的配电尺寸相同、采用长寿命电力电容、中文WINDOWS操作界面、工业标准通讯功能和远程控功能、电网自动重合后继续运行、维护方便等等。
1．5电气结构
系统由控制回路和频率调节装置组成，根据不同的场合需要，可配备输入开关。系统还具有灵活的测量控制组态方式，因而简化了测量控制线路的结构。
2．功能特点
2．1主要特点
2．1．1运行回路
如主控单元在运行过程中发生报警，系统将自动旁路该单元，进入原系统运行，系统得以不间断运行；另外也可根据需要人工切换到备用回路运行。单元旁路后，系统自动记录报警原因，对应故障报警解决方案帮助菜单，根据记录相应查找故障点，排除故障。
装置以在下列故障情况可实现单元自动旁路：
输出短路
单元过电压
单元过电流
单元温度过高
单元程序流程错误
单元电源故障
2．1．2 故障主控单元可在线更换----高可靠性
LBP系列高性能智能装置采用了主备电路，允许在运行过程中在线更换故障单元；操作人员在主控状态的提示下，通过独特的机械旁路机构旁路故障单元后，系统继续运行，可以在线对装置进行维修，主控单元自动旁路和在线更换单元功能使装置可靠性大幅度提高。
2．1．3 采用高性能长寿命电容，电容寿命可达10年，高性价比
LBP1000系列高性能智能装置采用高性能长寿命电容，电容寿命可达10年，高性价比，普通电容一般使用寿命为5年，电力电容在变频装置中为重要器件，更换电容的成本和工程费用也相当高，采用高性能长寿命电容不仅提高了系统可靠性和效率，而且经济性也最优。
2．1．4专用散热器
针对于运行稳定性要求很高的特殊场合，我们大片的高传导效率散热片进行散热，失散热效果大大条，大大提高散热效率，降低IGBT器体的温升、提高装置过载能力、减少器件损坏、提高装置可靠性。
2．1．5 采集、通讯信号断线检测功能
LBP系列高性能智能装置能具有在线检测断线功能，当检测到采集信号、通讯信号断线后自动报警，自动切换到固定频率运行，保证系统安全稳定运行。
2．1．6 完善的保护限制措施
单元本身具有如下保护：
输出短路保护
输入电压缺相保护
输出过流保护
输入、输出过压保护
单元温度过高保护
保护限制功能：
电动机保护，包括过载、缺相、温升等
主控单元保护。包括过载、再生能量、风机等
主控所提供的保护功能向用户开放，保护参数可在线设置
2．1．7对输入电压波动适应能力强
输入电源允许波动范围为±15%额定电压，当变频器输入电压在±15%范围内时，电动机可连续正常工作在额定负荷（不需改动任何接线和设置），变频器输出电压基本保持不变，电动机电流不会增加。
在电压波动工程中，变频器和电动机均不需要进行额外散热。
由于控制单元装置采用UPS供电，因此控制电源的波动对装置主控部分没有影响。
2．1．8强过载能力
标准配置下，LBP1000系列高性能智能装置均具有1.8倍额定1分钟的过载能力，而且在1.5倍额定电流情况下,也不会立即保护,只有当输出电流超过2.0倍时,才立即保护,因此在偶尔过载情况下,变频装置不会保护误动作.
根据特殊情况需要,可提供高至2倍额定过载能力的产品.
2.1.9通风设计
系统为强制风冷结构,驱动柜顶装配两台风机集中通风,单元无散热风机.
集中通风结构避免了过多单元风机运转,具有线路简单、可靠性高、噪音小及节能的特点。
2．1．10 IGBT最新电力电子器件
单元中采用IGBT，是最合适的逆变电力电子器件：
电压驱动，驱动功率小、驱动线路简单可靠
开关带度高，开关损耗小，有利于降低谐波
IGBT线路技术成熟
采用最新TRENCH和SPT工艺IGBT，其导通压降低、开关损耗更小
采取措施降低IGBT过电压和过电流，提高可靠性
2．1．11中文WINDOWS操作界面
系统配备真彩色显示屏，应用程序基于WINDOWS XP，既保证足够的安全可靠性，又具有友好、完善的操作界面。
在显示屏上，用户可根据中文显示界面，设置和更改参数设置，另外还具有以下增强功能：
查看事件记录
查看历史负荷数据和节能分析
查看实时负荷曲线
故障定位、检查指导
系统还安装了若干操作按钮和显示表计，即使不使用上位机，仍可完成基本的运行、停止、升速和降速操作，表计显示了电压、电流、功率和频率值。
2．1．12对电机无特殊要求
LBP系列高性能智能装置可广泛用于各种电动机，包括：
鼠笼式异步电动机
转子绕线式异步电动机
同步电动机
输出电压具有很低的谐波含量，因此不会增加额外损耗，对于风机泵类电动机不需要另外考虑电动机的散热
1.5HZ软起动，不需降压起动设备，消除了因全压起动造成的电动机鼠笼断条和定子绕组开焊等故障，对电网冲击也减小/
对各种电机均具有良好的起动性能
2．2控制方式
2．2．1 IPC/601H高性能工控机
LBP系列高性能智能装置的主控部分采用IPC/601H高性能工控机，2.4G HZ高性能处理器。80G硬盘、512M 内存，大大提高运算速度。主控部分的主要任务有：
管理、监控
输入单元数据采集和主控数据处理
实现各种控制方式
实现主控部分的保护限制功能判断处理
数字量和模拟量I/0
与外部通讯
2．2．2数字量和模拟量I/0接口
数字量和模拟量接口的标准配置如下：
16路A/D采集模块，电气隔离，抗干扰设计，可用于4-20MA、0-5V、0-10V
4路模拟量输出，各咱均电气隔离，4-20MA或0-5V可选择的输出方式.可编程对应于功率、频率、电压、电流等电量
数字量I0可扩充至32路DI、32路DO。
可根据需要扩充输入输出接口配置
2．2．3工业标准通讯功能
系统提供两种通讯功能：
标准的RS485或RS232可选择的通讯接口，电气隔离，直接由主控制处理器控制，具有功能全面、控制实时的特点
由工控机处理器扩展的通讯接口，根据现场需要，可以是以太网适配器、RS485或RS232等。具有组网方便、适应性强的特点
通过通讯，用户可控制主控单元装置的运行、获行运行和操作数据、改变参数设置。不同的接口具有不同的权限，通过由主控处理器连接的通讯接口可获得完整的操作控制权限，而扩展的通讯接口可获得部分控制权限以及进行数据传输。
2．2．4 远程控制、监控
LBP系列高性能智能装置提供远程监控，采用原系统的控制方法：
2．3输出特性
降低输出电压谐波具有如下功效：
明显减小电动机损耗、降低温升、提高效率
降低电动机脉动电流和脉动转矩、电动机振动小
对电机绝缘有利，电动机使用寿命提高
2．3．1输出电流波形
由于输出电压谐波含量低、载波频率高，因此输出电流也具有良好的正弦波形
2．3．2长线路输出连接电动机
由于输出线路分布电容的存在，普通电压源型变频器输出dv/dt高，不能传输长线路，否则容易引起电压振荡和保护误动作，LBP系列高性能智能装置输出端加装交流电抗器（200米以上），因此输出可传输长线路。
2．3．3转矩阶跃响应速度快
此装置是电压型控制，可以在各种负荷下高功率因数运行，从而可以提高功率因数，减少损耗，显著优点是输出转矩响应速度快，可实现矢量控制。
2．4数据记录和参数设置功能
2．4．1智能控制装置运行参数在线整定
LBP系列高性能智能装置提供的大部分参数可在线整定，例如报警值、保护值、升降速速度。这些参数大致可分为电动机参数和变频器参数，在很大程度上，系统的运行特性取决于参数设置情况。
参数的设置由两种途径：
通过专用的显示器，此方法操作复杂、不直观。
通过上位机通讯方式，是最快捷的方式，最直观的方式，并且有在线的参数设置帮助
2．4．2电量数据在线监测
系统在上位机上提供如下数据处理功能：
输出电压和电流、输入电压和电流、输出功率和功率因素、输入功率和功率因数的显示
输出功率的实时曲线
输出负荷的历史数据曲线，有功电度表功能
2．4．3故障自动定位
在保护和故障情况下，系提供故障诊断和自动定位功能，如果由于单元内部保护引起切换，系统将指出是哪个单元因为何种原因引起切换
3.结构介绍
从结构上看，LBP1000系列高性能智能装置分主控单元（包括逆变单元部分和主控部分）和切换回路，两者为整体装配，由于现场的控制室和动力室分开，此装置的主控部分、显示屏安装在控制室内，主控单元放在动力室内。
3．1装置安装方式
驱动装置外形尺寸紧凑，方便安装，柜体开门以及单元插拔不碰及两旁柜体；所有安装、连接均在柜体前部完成。
4.主要技术指标
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项目 |
指标 |
说明 |
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输出频率调节范围 |
5-60HZ |
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输入电流谐波含量 |
<4% |
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输出电压谐波含量 |
<2% |
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输出频率准确度 |
0.05HZ、 |
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输出频率分辨率 |
0.01HZ |
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输出电压准确度 |
±0.5% |
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满载效率 |
>98.8% |
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整体满载效率 |
>97.6% |
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过载能力 |
150% 1分钟 |
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输入功率因数 |
0.95 |
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环境温度 |
－15℃～＋45℃ |
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环境湿度 |
0～95％不结露 |
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三、智能流程泵节能装置的应用
智能流程泵节能装置是一种高效节能调速装置,特别是它可以根据设定信号调节电动机转速,实现生产自动控制,节电效果显著,可有力地促进企业节能工作的开展,因而在电机供电控制中得到广泛应用。下面以我厂催化装置中的顶循环油泵为例简单说明控制调速策略。
1、控制流程简介
顶循环油泵采用一开一备的配置方式,共有P2204A/B两台泵(132kw)。在正常情况下,一台运行另一台备用,主、备泵的切换通过人工方式手动实现。在供电控制方式上,P2204A实行常规电气控制,主电源直接供给电动机,P2204B实行智能流程泵节能装置控制,主电源经过智能流程泵节能装置后送给电机。系统调节参数为中间产品罐液位,测量位号为LT11205,PID调节回路调节阀LV11205。用一入二出安全隔离栅把信号一分为二，一路送入原回路，一路接入智能流程泵节能装置，用控制电机转速和调节阀开度使液位稳定在给定值上。
2. 控制方案的实施
该流量在DCS中的控制原理如图一所示。
3. 节电效果
智能流程泵节能装置投用后,控制回路的稳定性和可靠性比调节阀有明显提高,控制偏差大大减小,被控参数波动幅值较小。电机保持中速运行状态。在电机启动、控制过程中实行延时斜升、斜降,并且有输出短路、欠压、过流、过载过热等报警跳闸及在线故障诊断功能,保证其运行安全可靠,降低故障率,减少了设备损耗,尤其显著的是节能效果相当明显。在正常工况下,投用前后的电气参数如下:
电机功率132kw，据了解此泵一直未用到最大流量，运行时间24小时/天，一年运行360天，经实际检测其节电率36%以上。年节电量（按36％）计算如下：
W原用电 =24×360×(380×156×1.732)×0.85 =754272(Kw.h)
W现用电 =24×360×(350×116×1.732)×0.96 =580608(Kw.h)
W节电＝754272－580608＝173664(Kw.h)
从以上可以看出,使用该装置后功率节省173664kw.h, ,若按电价0.55元/kwh计算,每年节约电费97251元。不到一年可收回投资。该装置的使用取得了非常明显的节电效果。
三、结束语
实际应用证明智能流程泵节能装置的使用取得意想不到的效果,特别是企业正在为降低生产成本提高经济效益而大量采用新技术的今天 ,将会有更加广阔的应用前景。该装置投入运行已近一年未出现质量问题。