问求离心泵出口流量控制系统

1．前言 离心泵是应用十分广泛的流体输送设备，其基本任务是输送流体和提高流体的压头，它的压头是由旋转翼轮作用于液体的离心力而产生的。转速越高，则离心力越大，压头也越高。在连续性工业生产过程中，除了对泵的启停控制和工艺过程、生产安全要求的信号联锁控制外，主要是对泵的流量和压力控制。如定值控制、比值控制以及流量作为副变量的串级控制等。离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上，或者按照一定的规律变化以适应生产工艺流程要求。例如在化工生产中，进入化学反应器的原料量需要维持恒定，精馏塔的进料量或回流量需要维持恒定，制冷空调行业中，循环水的流量要与负荷变化相适应等。 2．离心泵流量控制常用的两种方案 2．1控制泵的出口阀门开度 图1泵出口阀门开度控制流量 Fig1valve opening at pump exportcontrol flux 通过控制泵出口阀门开启度来控制流量，当干扰作用使流量发生变化偏离给定值时，控制器发出控制信号，控制结果使流量回到给定值。改变出口阀门的开启度可以控制流量的原因是，在一定转速下，离心泵的排出流量Q与泵产生的压头H有一定的对应关系，如图1的曲线A所示。在不同流量下，泵所能提供的压头是不同的，曲线A称为泵的流量特性曲线，同时泵提供的压头又必须与管路上的阻力相平衡，克服管路阻力所需压头大小随流量的增加而增加，如曲线l所示。曲线1称为管路特性曲线。曲线A与曲线1的交点C1即为进行操作的工作点。此时泵所产生的压头正好用来克服管路的阻力，Cl点对应的流量Q1即为泵的实际出口流量。 当控制阀开启度发生变化时，由于转速是恒定的，所以泵的特性没有变化，即图1中的曲线A没有变化。但管路上的阻力却发生了变化，即管路特性曲线不再是曲线1，随着控制阀的关小，可能变为曲线2或曲线3了,工作点就由C1移向C2或C3,出口流量也由Q1改变为Q2或Q3。以上就是通过控制泵的出口阀开启度来改变排出流量的基本原理。控制出口阀门开启度的方案简单易行，是应用最为广泛的方案。但是，此方案总的机械效率较低，特别是控制阀开度较小时，阀上压降较大，对于大功率的泵，损耗的功率相当大，因此是不经济的。 图2泵转速控制流量 Fig2rotate speed of pump control flux 2．2控制泵的转速 当泵的转速改变时，泵的流量特性曲线会发生改变。图2中曲线l、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1>n2>n3。在同样的流量情况下，泵的转速提高会使压头H增加。在一定的管路特性曲线B的情况下，减小泵的转速，会使工作点由C1移向C2或C3，流量相应也由Q1减少到Q2或Q3。这种方案从能量消耗的角度来衡量最为经济，机械效率较高。 近年来随着电力电子器件的快速发展，变频调速器的性能价格比不断提高，加之全球能源危机日益严重，节能降耗显得愈加迫切，这些都为变频调速技术的推广应用奠定了基础。 3．三相交一直一交变频器工作原理 如图3所示，三相交一直一交变频器由整流器、中间滤波环节及逆变器三部分组成。整流 整流器滤波器逆变器 图3三相变频器原理图 Fig3three phase transducer principlediagram 器为晶闸管三相桥式可控整流电路，它的作用是将交流电源的定压定频交流电变换为幅值可调的直流电压，然后作为逆变器的供电电源。逆变器也是三相桥式电路，但它的作用与整流器相反，它将直流电压变换为可调频率的交流电压，它是变频器的主要组成部分。中间滤波环节由电容器或电抗器组成，它的作用是对整流后的电压或电流进行滤波，减小电压或电流的波动。 在逆变器中，采用晶闸管触发导通比较容易，但关断却不太容易，需增设专门的换流电路以保证晶闸管准时关断。由于可关断晶闸管(GTO)和功率晶体管(GTR)导通和关断控制方便，由它们组成的逆变器中无需增设专门的换流电路，从而大大缩小了逆变器的体积，使变频器小型化，显示出突出的优点。 4．离心泵变频调速流量控制应用实例 泵类设备为减转矩负载，即随着转速降低，负载转矩大体与转速的平方成比例地减小。故变频器最好选用减转矩负载的U／f 模式，该模式电压补偿值大，使电动机输入电流减小，与恒转矩负载的U／f 模式相比，可以提高电动机和变频器的效率。同时U／f 方式控制简单，成本低，适合风机水泵这类控制精度要求不高的设备，达到节能降耗的目的。通过对国内外各种品牌变频器的综合比较，选择性能价格比较高的日本三菱电机公司型号为FR-F740-30k-CH的风机、泵类负载变频器，控制制冷机循环冷却水流量与制冷负荷相适应。三相电源电压380～480V，允许波动范围323～528V；频率50/60Hz，允许波动范围5%；反时限过载能力60s为120%，3s为150%。 变频器外部接线图如图4所示。变频器的R，S，T端与三相电源连接，相序与电机转向无关，一般通过改变电机端U，V，W的连接顺序来改变电机转向。特别应注意电源端与电机端不能接反，否则会烧坏变频器；R0、T0为控制电源辅助输入端子，作为抗干扰滤波器电源和风扇备用电源；P1、P端装有直流电抗线圈，用以 提高系统的功率因数；11、12、13端连接外接电位器，进行频率设定，其输入阻抗为22KΩ；A1、M端为模拟电流信号输入端，流量变送器把检测到的流量信号变换为4-20mA的直流电流信号由此输入，与频率设定信号比较，二者的差值作为电机转速的控制信号；FWD、REV、CM 端为开关量输入端，FWD为正转启停，REV为反转启停，CM为公共端。 图4　变频器外部接线图 Fig4 Transducer outer wiring diagram 5．结语 １）采用变频调速进行流量控制，显著降低能耗，节电幅度在40%～60%。 ２）所选日本三菱电机公司变频器为典型的交－直－交电压型通用变频器，适于风机、泵类负载，技术成熟，控制简单，经济可靠。 　 ３）电机启动特性改善。使启动电流小于1.5倍额定电流，实现电机软启动。 ４）保护功能齐全，提高了自控系统调节控制质量和节能运转的可靠性，变频器设有故障显示，便于分析和排除故障。