基于變頻技術(shù)的水泵節能控制系統的研究

0 引言

目前，在國民經(jīng)濟各部門(mén)中水泵與風(fēng)機的應用面非常廣，數量極多，耗電量大。據相關(guān)統計，全國電力總量的40%左右被風(fēng)機、水泵消耗。當前，風(fēng)機、水泵依然還有非常大的節能空間，其節能的焦點(diǎn)問(wèn)題是如何最大程度提高水泵和風(fēng)機的運行效率?，F在，大約70%的泵類(lèi)、風(fēng)機負載中仍采用閥門(mén)或風(fēng)擋的方法來(lái)調節流量，導致電機長(cháng)時(shí)間處在輕載或空載的運行狀態(tài)，造成能源的大量浪費。正因如此，在全國普及節能潛力巨大的變頻調速技術(shù)有著(zhù)重大的社會(huì )和經(jīng)濟價(jià)值以及現實(shí)意義。

1 水泵節能的原理分析

可以通過(guò)兩種方法來(lái)調節水流量，其一是通過(guò)關(guān)小或開(kāi)大閥門(mén)來(lái)調節流量，而轉速保持不變(通常為額定轉速)即閥門(mén)控制法。另一種方法是通過(guò)改變水泵電機轉速來(lái)調節流量，而閥門(mén)開(kāi)度保持不變(通常為最大開(kāi)度)即轉速控制法。前者易于理解，不再多述。后者是利用水泵電動(dòng)機的變頻調速技術(shù)進(jìn)行轉速控制，從而達到對水流量的控制以及行之有效的節能效果。接下來(lái)重點(diǎn)對轉速控制法的節能原理進(jìn)行闡述。

1.1 供水功率的比較

(1)若水泵、風(fēng)機能夠符合三個(gè)相似條件即運動(dòng)相似、動(dòng)力相似、幾何相似，那么它可以應用相似定律。對于一臺水泵而言，在不改變流體的密度ρ，而僅改變轉速的條件下，它的性能參數遵守比例定律：

由上式可以看出，泵的流量、揚程以及軸功率分別與其轉速、轉速的平方、轉速的立方成正比。

圖1是水泵變轉速調節的節能原理圖。圖中曲線(xiàn)①為水泵在額定轉速下的揚程特性曲線(xiàn)，其與管阻特性曲線(xiàn)②交于A(yíng) 點(diǎn)，對應流量QA,此時(shí)水泵軸功率P 與矩形QA AHTAO 的面積成正比。若欲將流量減半，使用閥門(mén)控制時(shí)，則新的管阻特性曲線(xiàn)③與揚程特性曲線(xiàn)①相交于B 點(diǎn)，此時(shí)水泵軸功率P 正比于矩形QB BHTBO 的面積。由圖可見(jiàn)，兩者面積相差不大，如果采用調速方法將水泵轉速降為曲線(xiàn)④，管路特性仍為曲線(xiàn)②，故工作點(diǎn)移至C 點(diǎn)。此時(shí)與水泵軸功率P 成正比的矩形的面積QBCHTCO 與QA AHTAO 相比明顯減少，這說(shuō)明軸功率下降了很多，節能效果十分明顯。

1.2 水泵工作效率的對比

水泵的工作效率ηP 等于水泵的供水功率PG 和水泵軸功率PP 之比，可表示為：

式中：水泵的供水功率PG 是根據實(shí)際供水的流量揚程算得的功率，是供水系統的輸出功率。水泵的軸功率PP 是指水泵軸上的輸入功率。

水泵的相對工作效率η- 的近似計算公式如下：

式中：Q-,n-,η- 分別是流量、轉速、效率的相對值(實(shí)際值與額定值之比的百分數);C1,C2 為常數，并且C1 - C2 = 1 .

由上式可知，當使用閥門(mén)控制法降低流量時(shí)，因為轉速保持恒定，即n- = 1,Q- n-的值減小，圖2中的曲線(xiàn)①即為它的效率曲線(xiàn)。如果流量Q- = 0.6,其效率減小至點(diǎn)B.由此可見(jiàn)，隨著(zhù)水泵流量的降低，其工作效率發(fā)生了十分明顯的下降。若采用轉速控制法，閥門(mén)開(kāi)度是恒定不變的，流量和轉速成正比，即Q- n- = 恒量，由圖2可知當流量Q- = 0.6時(shí)，效率即為曲線(xiàn)②的C 點(diǎn)，與曲線(xiàn)①上A 點(diǎn)(Q- = 1.0時(shí))的效率是完全相等的。由此得出結論：利用轉速控制法時(shí)，水泵的工作效率始終保持最優(yōu)狀態(tài)。

2 變頻調速運行的原理

2.1 變頻調速的原理

交流異步電動(dòng)機的轉速為：

式中：n0 為同步轉速;f 為電源頻率;p 為電動(dòng)機極對數;s 為轉差率。改變電源頻率，同步轉速也隨之改變。

2.2 對變頻調速的基本要求

(1)基頻f1N 以下主磁通-m 保持不變。

3 水泵變頻調速系統的控制方式

圖4 所示為變頻恒壓供水系統圖。其原理是由壓力傳感器測得供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力，輸出的電壓信號送入信號處理器，經(jīng)A/D轉換后，輸入PLC,在PLC中由控制程序進(jìn)行壓力的比較，即給定壓力和管網(wǎng)壓力的比較，回送至信號處理器，經(jīng)D/A 轉換后，輸出到變頻器，對變頻器的輸出頻率進(jìn)行調節，進(jìn)而控制水泵電機的轉速以達到恒壓的目的。同時(shí)PLC根據壓力差，輸出控制信號，執行相關(guān)接觸器的動(dòng)作。

5 結語(yǔ)

不能簡(jiǎn)單地把變頻調速技術(shù)應用于所有供水系統，其用于水泵節能也是有限制條件的。對于管路損失占總揚程比例較大的供水系統，或流量頻繁變化且幅度較大，以及流量明顯偏小的系統適用于變頻調速[10].若靜揚程占總揚程比例較大以及流量較穩定的供水系統則不能使用變頻調速技術(shù)。因此一定要考慮實(shí)際情況，采用與之相對應節能方法，才能行之有效。