1  引言
        在工礦企業(yè)中大量地使用著風(fēng)機(jī)、水泵、攪拌機(jī)、壓縮機(jī)等，這些機(jī)械一般都以交流電動機(jī)驅(qū)動。其中大部分電動機(jī)只有額定功率的50%～70%，甚至更低一些(20%～70%)。但電動機(jī)大部分處在恒速運(yùn)行狀態(tài)，并以檔板、閥門或放空回流的辦法進(jìn)行流量或壓力的調(diào)節(jié)，從而白白損失大量的電能，功率越大的風(fēng)機(jī)、水泵，損失的電能越多。
        對于水泵和風(fēng)機(jī)，表達(dá)其特性的參數(shù)有：流量(風(fēng)量)q，揚(yáng)程(風(fēng)壓)h，功率p等。當(dāng)轉(zhuǎn)速從n1變?yōu)閚2時，q，h，p大致變化關(guān)系為：q2=q1(n2/n1)；h2=h1(n2/n1)2；p2=p1(n2/n1)3。
        即：流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
        如水泵的流量或風(fēng)機(jī)的風(fēng)量等調(diào)節(jié)，只需調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)，而同時將大大降低電機(jī)的消耗功率，節(jié)約了電能。根據(jù)交流異步電機(jī)的基本原理，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n由以下公式表示：

        式中： n—電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；
         f1—供電電源頻率；
         s—轉(zhuǎn)差率；
         p—電動機(jī)的極對數(shù)。
        因此要改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要改變供電電源的頻率或者改變電動機(jī)的極對數(shù)或者轉(zhuǎn)差率就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2  智能流程泵節(jié)能裝置功能介紹
2.1 原理設(shè)計
        基于商用變頻器的水泵節(jié)能系統(tǒng)集成由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采、a/d轉(zhuǎn)換、工控機(jī)數(shù)據(jù)處理、通訊模塊遠(yuǎn)程傳輸、(變頻器)功率裝置控制等幾個單元環(huán)節(jié)組成。 
        (1) 數(shù)據(jù)采集部分。采集部分是信號點(diǎn)的關(guān)鍵，在模擬量采集模塊前端安裝雙輸出通道安全隔離柵，將流量、閥門開度信號從原dcs系統(tǒng)中安全采取，通過模擬量采集模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送人工控機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。
        (2) 運(yùn)算處理部分。運(yùn)算處理部分主要由研華公司的高性能工控機(jī)運(yùn)算處理，它提供高速的處理性能及可靠開放性網(wǎng)絡(luò)通信能力，從而能滿足工礦閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)時性和遠(yuǎn)程控制能力。處理部分采用模糊的pid閉環(huán)運(yùn)算，采用數(shù)學(xué)函數(shù)公式進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，根據(jù)轉(zhuǎn)速與壓力、流量間的函數(shù)關(guān)系，準(zhǔn)確、實(shí)時的響應(yīng)系統(tǒng)的需求流量，節(jié)能效果更加明顯，穩(wěn)定性更強(qiáng)。
        (3) 輸出部分。將工控機(jī)運(yùn)算處理后的泵馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程通信rs-485網(wǎng)絡(luò)，送入配電室。再通過通訊隔離模塊將信號隔離后送入主控單元，實(shí)時根據(jù)需要的流量動態(tài)修改變頻器運(yùn)行頻率。
        (4) 節(jié)能控制方式。原dcs系統(tǒng)中，流量需要變化時，原dcs系統(tǒng)自動或手動對自動閥門進(jìn)行跟隨變化，由此將閥門開度信號做為節(jié)能控制中的參考值，在節(jié)能控制中新加入了泵轉(zhuǎn)速變量。在滿足管壓及揚(yáng)程的條件后，使閥門開度按照一定比例比原來加大，再將原閥門開度信號做為流量控制的參考值，得知管道流量由流量傳感器測定管道流量，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，主控單元中用于控制泵轉(zhuǎn)速，改變泵的流量，從而改管道流量。lbp系列高性能智能節(jié)能裝置吸收了目前數(shù)字控制領(lǐng)域以及電力電子領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)技術(shù)，并采用了旁路單元內(nèi)置的單元結(jié)構(gòu)，節(jié)能裝置故障時隨時切換到原系統(tǒng)運(yùn)行，使裝置運(yùn)行可靠性大幅度提高。此外，裝置的許多新功能為應(yīng)用提供了更多解決方案，例如：裝置整體尺寸與原系統(tǒng)的配電尺寸相同、采用長壽命電力電容、中文bbbbbbs操作界面、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊功能和遠(yuǎn)程控功能、電網(wǎng)自動重合后繼續(xù)運(yùn)行、維護(hù)方便等等。
        (5) 電氣結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由控制回路和頻率調(diào)節(jié)裝置組成，根據(jù)不同的場合需要，可配備輸入開關(guān)。系統(tǒng)還具有靈活的測量控制組態(tài)方式，因而簡化了測量控制線路的結(jié)構(gòu)。
        (6) lbp1000系列高性能智能裝置分主控單元(包括逆變單元部分和主控部分)和切換回路，兩者為整體裝配，由于現(xiàn)場的控制室和動力室分開，此裝置的主控部分、顯示屏安裝在控制室內(nèi)，主控單元放在動力室內(nèi)。
2.2 功能特點(diǎn)
        (1) 安全性。如基于變頻器的主控單元在運(yùn)行過程中發(fā)生報警，系統(tǒng)將自動旁路該單元，進(jìn)入原系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)得以不間斷運(yùn)行；另外也可根據(jù)需要人工切換到備用回路運(yùn)行。單元旁路后，系統(tǒng)自動記錄報警原因，對應(yīng)故障報警解決方案幫助菜單，根據(jù)記錄相應(yīng)查找故障點(diǎn)，排除故障。裝置以在下列故障情況可實(shí)現(xiàn)單元自動旁路：輸出短路；單元過電壓；單元過電流；單元溫度過高；單元程序流程錯誤；單元電源故障。
        (2) 可靠性。lbp系列高性能智能裝置采用了主備電路，允許在運(yùn)行過程中在線更換故障單元；操作人員在主控狀態(tài)的提示下，通過獨(dú)特的機(jī)械旁路機(jī)構(gòu)旁路故障單元后，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，可以在線對裝置進(jìn)行維修，主控單元自動旁路和在線更換單元功能使裝置可靠性大幅度提高。采用高性能長壽命電容，電容壽命可達(dá)10年，高性價比lbp1000系列高性能智能裝置采用高性能長壽命電容，電容壽命可達(dá)10年，高性價比，普通電容一般使用壽命為5年，電力電容在變頻裝置中為重要器件，更換電容的成本和工程費(fèi)用也相當(dāng)高，采用高性能長壽命電容不僅提高了系統(tǒng)可靠性和效率，而且經(jīng)濟(jì)性也最優(yōu)。針對于運(yùn)行穩(wěn)定性要求很高的特殊場合，高傳導(dǎo)效率散熱片進(jìn)行散熱，失散熱效果大大條，大大提高散熱效率，降低igbt器體的溫升、提高裝置過載能力、減少器件損壞、提高裝置可靠性。lbp系列高性能智能裝置能具有在線檢測斷線功能，當(dāng)檢測到采集信號、通訊信號斷線后自動報警，自動切換到固定頻率運(yùn)行，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
        (3) 完善的保護(hù)限制措施。輸出短路保護(hù)；輸入電壓缺相保護(hù)；輸出過流保護(hù)輸入、輸出過壓保護(hù)；單元溫度過高保護(hù)；電動機(jī)過載、缺相、溫升等主控單元保護(hù)。包括過載、再生能量、風(fēng)機(jī)等。主控所提供的保護(hù)功能向用戶開放，保護(hù)參數(shù)可在線設(shè)置
        (4) 中文bbbbbbs操作界面。系統(tǒng)配備真彩色顯示屏，應(yīng)用程序基于bbbbbbs xp，既保證足夠的安全可靠性，又具有友好、完善的操作界面。在顯示屏上，用戶可根據(jù)中文顯示界面，設(shè)置和更改參數(shù)設(shè)置。另外還具有以下增強(qiáng)功能：查看事件記錄；查看歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)和節(jié)能分析；查看實(shí)時負(fù)荷曲線；故障定位、檢查指導(dǎo)。系統(tǒng)還安裝了若干操作按鈕和顯示表計，即使不使用上位機(jī)，仍可完成基本的運(yùn)行、停止、升速和降速操作，表計顯示了電壓、電流、功率和頻率值。
        (5) 對電機(jī)無特殊要求。lbp系列高性能智能裝置可廣泛用于各種電動機(jī)，包括：鼠籠式異步電動機(jī)；轉(zhuǎn)子繞線式異步電動機(jī)；同步電動機(jī)。輸出電壓具有很低的諧波含量，因此不會增加額外損耗，對于風(fēng)機(jī)泵類電動機(jī)不需要另外考慮電動機(jī)的散熱。1.5hz軟起動，不需降壓起動設(shè)備，消除了因全壓起動造成的電動機(jī)鼠籠斷條和定子繞組開焊等故障，對電網(wǎng)沖擊減小。對各種電機(jī)均具有良好的起動性能。
2.3 控制方式
        (1) ipc/601h高性能工控機(jī)。lbp系列高性能智能裝置的主控部分采用ipc/601h高性能工控機(jī)，2.4g hz高性能處理器。80g硬盤、512m 內(nèi)存，大大提高運(yùn)算速度。
        (2) 數(shù)字量和模擬量i/0接口。16路a/d采集模塊，電氣隔離，抗干擾設(shè)計，可用于4-20ma、0-5v、0-10v信號。4路模擬量輸出，各咱均電氣隔離，4-20ma或0-5v可選擇的輸出方式?？删幊虒?yīng)于功率、頻率、電壓、電流等電量。數(shù)字量i0可擴(kuò)充至32路di、32路do。可根據(jù)需要擴(kuò)充輸入輸出接口配置。
        (3) 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊功能。系統(tǒng)提供兩種通訊功能：標(biāo)準(zhǔn)的rs485或rs232可選擇的通訊接口，電氣隔離，直接由主控制處理器控制，具有功能全面、控制實(shí)時的特點(diǎn)。由工控機(jī)處理器擴(kuò)展的通訊接口，根據(jù)現(xiàn)場需要，可以是以太網(wǎng)適配器、rs485或rs232等。具有組網(wǎng)方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過通訊，用戶可控制主控單元裝置的運(yùn)行、獲行運(yùn)行和操作數(shù)據(jù)、改變參數(shù)設(shè)置。不同的接口具有不同的權(quán)限，通過由主控處理器連接的通訊接口可獲得完整的操作控制權(quán)限，而擴(kuò)展的通訊接口可獲得部分控制權(quán)限以及進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。lbp系列高性能智能裝置提供遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3  智能流程泵節(jié)能裝置的應(yīng)用
        智能流程泵節(jié)能裝置是一種高效節(jié)能調(diào)速裝置，特別是它可以根據(jù)設(shè)定信號調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動控制，節(jié)電效果顯著，可有力地促進(jìn)企業(yè)節(jié)能工作的開展，因而在電機(jī)供電控制中得到廣泛應(yīng)用，以催化裝置中的頂循環(huán)油泵為例簡單說明控制調(diào)速策略。
3.1 控制流程
        頂循環(huán)油泵采用一開一備的配置方式，共有p2204a/b兩臺泵(132kw)。在正常情況下，一臺運(yùn)行另一臺備用，主、備泵的切換通過人工方式手動實(shí)現(xiàn)。在供電控制方式上，p2204a實(shí)行常規(guī)電氣控制，主電源直接供給電動機(jī)，p2204b實(shí)行智能流程泵節(jié)能裝置控制，主電源經(jīng)過智能流程泵節(jié)能裝置后送給電機(jī)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)為中間產(chǎn)品罐液位，測量位號為lt11205，pid調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)閥lv11205。用一入二出安全隔離柵把信號一分為二，一路送入原回路，一路接入智能流程泵節(jié)能裝置，用控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥開度使液位穩(wěn)定在給定值上?！　?
3.2 控制方案的實(shí)施
        裝置集成在dcs中的控制原理如圖1所示。

圖1  dcs集成

3.3 節(jié)電效果
        智能流程泵節(jié)能裝置投用后，控制回路的穩(wěn)定性和可靠性比調(diào)節(jié)閥有明顯提高，控制偏差大大減小，被控參數(shù)波動幅值較小。電機(jī)保持中速運(yùn)行狀態(tài)。在電機(jī)啟動、控制過程中實(shí)行延時斜升、斜降，并且有輸出短路、欠壓、過流、過載過熱等報警跳閘及在線故障診斷功能，保證其運(yùn)行安全可靠，降低故障率，減少了設(shè)備損耗，尤其顯著的是節(jié)能效果相當(dāng)明顯。在正常工況下，投用前后的電氣參數(shù)如下：
        電機(jī)功率132kw，據(jù)了解此泵一直未用到最大流量，運(yùn)行時間24小時/天，一年運(yùn)行360天，經(jīng)實(shí)際檢測其節(jié)電率36%以上。年節(jié)電量(按36％)計算如下：
        w原用電 =24×360×(380×156×1.732)×0.85 =754272(kw.h) 
        w現(xiàn)用電 =24×360×(350×116×1.732)×0.96 =580608(kw.h) 
        w節(jié)電＝754272－580608＝173664(kw.h) 
        從以上可以看出，使用該裝置后功率節(jié)省173664kw.h，若按電價0.55元/kwh計算，每年節(jié)約電費(fèi)97251元。不到一年可收回投資。該裝置的使用取得了非常明顯的節(jié)電效果。

4  結(jié)束語
        實(shí)際應(yīng)用證明智能流程泵節(jié)能裝置的使用取得意想不到的效果，特別是企業(yè)正在為降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益而大量采用新技術(shù)的今天，將會有更加廣闊的應(yīng)用前景。該裝置投入運(yùn)行已近一年運(yùn)行穩(wěn)定。

作 者：利津石油化工廠有限公司  李秀民