变频调速技术在流量标准装置中的应用

    液体的输送与流量的调节在人们日常的生产生活中是不可缺少的。从家用水龙头到工业用大型阀门，无不体现了流量调节的重要性。采取不同的流量调节方法将获得不同的调节效果和不同的功耗结果，而不同的调节方法又适用于不同的应用领域。利用调节水泵转速来调节流量的方法称为转速调节法。在诸多转速调节设备中，变频调速器具有很高的传递效率（95%以上）、很高的可靠性、灵活的控制功能以及免于维护的运行能力。应用变频调速技术，通过调节泵的转速来调节流量的控制方法，具有最好的控制性能和节能效果。    流量标准装置是用于检定流量计的专用设备。长期以来，国内外广泛采用的流量标准装置，按其压源形式分类，大致有三种：恒水头式、变水头式、稳压容器式等。    三种装置有一个共同的特点，即试验流量必须依靠安装在管路中的流量调节阀调节。流量的标准装置采用流量调节阀将引起两方面的问题：①使流量稳定性能变差；②能量损失大。    为了达到节省投资，保证流量稳定，且运行能耗低的目的，采用一种全新的流量标准装置——变频调速流量标准装置。这种装置直接用离心泵建立压力系统，采用高频衰减管路（或衰减容器）消除泵出口处流体的高频脉动．用变频调速技术实现流量的连续调节，无须安装流量调节阀。另外，变频调速系统还能消除电网电压及电网频率的低频率脉动的影响。因此，变频调速流量标准装置是一种理想的流量标准装置。    (1)流量调节原理    流量的调节可以通过两种方法来实现。    a．节流法，安装调节阀，其实质就是改变管路的特性。    b．转速调节法，其实质就是改变离心泵本身的特性曲线。    ①节流法调节流量    用传统节流方式调节流量，即安装调节阀，其实质就是改变管路上的流动损失，从而改变管路特性曲线来改变工作点，管路特性曲线见图4-30。
    图4-30    管路的特性曲线
    图4-31    离心泵的特性曲线    当阀门全开时，管阻特性曲线Rl-Q与扬程特性曲线H-Q相交于点n，流量为Qa，泵出口压头为Ha。若关小阀门，管阻特性曲线变为R2-Q，它与扬程特性曲线H-Q的交点移到点m，此时流量为Qb，泵出口压头升高到Hb。则压头的升高量为：△Hb=Hb-Ha。于是产生了阴影部分所示的能量损失：△Pb=△Hb×Qb。    该调节方式不经济，且只能在小于设计流量时进行调节。    ②转速调节法调节流量    转速调节法调节流量就是在管路特性曲线不变时，通过改变电动机的转速，达到调节水泵转速，进而调节流量的目的。水泵调速调节流量的实质就是利用改变离心泵本身的性能曲线，改变其工作点。离心泵的特性曲线如图4-31所示。    对于水泵而言，其流量Q与转速n成正比；扬程（压头）H与转速n的平方成正比；轴功率P与转速n的立方成正比。    变频调速消除了节流损失，所以提高了流量的稳定性，也提高了经济效益。    (2)可行性分析    在变频调速系统中，直接采用离心泵作为稳压源，从而节省了恒位水箱或稳压容器。一般而言，系统将受到三方面因素的影响。电网频率及电压变化的影响；离心泵叶轮机构的作用使泵的出口压力作高频脉动的影响；泵的吸入口水位变化引起泵出口压力变化的影响。    ①电网频率及电压变化的影响    由于电源频率及电压都不是十分稳定的，从感应电机和离心泵的性能可知，这将使泵的转速和压力发生变化，从而使标准装置的流量也相应地发生变化。其中电源频率的影响尤为重要。采用变频调速后，变频调速系统相当于一个高级独立的稳压、稳频电源，即它的输出电压及频率极为稳定。转速与流量成正比关系，即    Q=kf    上式中k为常数，f为电源频率，由此得：    dQ/Q=df/f    ②离心泵出口压力作高频脉动的影响    离心泵由于叶轮机构的作用，使泵的出口压力和流量产生高频脉动。一般可以将离心泵的脉动流量假定为正弦波形，周期为T，振幅为△q，则离心泵的出口脉动流量为：    Q=△qsin(2πt/T)    根据相关文献可知，离心泵的最大流量脉动率可达5%。    消除离心泵叶轮机构造成的高频流量脉动的有效方法是安装高频衰减装置。一般可以有两种方法，一是在泵出口处安装衰减容器，用容器中的气容来衰减离心泵的高频脉动。另一有效措施是安装衰减管路。流体经过衰减管路时，由于流体弹性的相互碰撞，以及黏性摩擦损耗．从而达到衰减脉动的目的。    ③水池液面下降速度的影响    由离心泵的工作原理可知，泵的工作点与管路特性有关，设计的管路特性方程为：    He=Hg+H3+ψθ2    式中 He-泵的扬程，m；    Hg-以试验管路为基准距离换向器出口处的垂直距离，m；    ψ-管路结构常数；    H3-水池液面距离试验管路的垂直高度，m。    由此可见，水池液面下降高度的变化，将直接影响泵的出口压力的变化。    采用变频调速系统，必须克服水池液面下降高度变化的影响。一是建立辅助泵系统，使水泵在恒水位吸人高度下工作；二是增加水池截面积。    (3)变频调速流量标准装置优点    ①作为一种新型的流量标准装置，完全可以替代传统的流量标准装置，且高效节能，控制合理，设备的维护量大大减少，系统的平均无故障工作时间更长。    ②变频调速流量标准装置采用调节电机转速调节流量，故装置运行能耗低，且装置占地面积较小，一次性建设投资较少。    ③变频调速流量标准装置不采用调节阀调节流量，故装置压力损失小，且流量稳定性好，流量稳定迅速。    ④变频调速流量标准装置采用高新技术设计制造，技术先进，性能可靠，操作方便，便于维护。