基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)研究

1、基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)研究摘 要 在分析了水泵電機(jī)變頻節(jié)能控制原理 后，對(duì)基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了認(rèn)真 探討。最后，對(duì)某工廠 2 臺(tái) 60kW 水泵電機(jī)供水系統(tǒng)進(jìn)行變 頻恒壓調(diào)速技術(shù)升級(jí)改造后所取得的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了 詳細(xì)分析研究。關(guān)鍵詞 變頻器；恒壓供水系統(tǒng)；變頻調(diào)速中圖分類號(hào) TM 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2011)101-0153-01隨著電力電子技術(shù)、過程控制技術(shù)等發(fā)展的不斷完善， 變頻器的功能也變得越來越強(qiáng)大，可以充分利用變頻器的內(nèi) 置 PID 調(diào)節(jié)單元完成對(duì)控制信號(hào)調(diào)節(jié)， 不需額外配置 PID 調(diào) 節(jié)器等輔助單元，大大簡化了系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)

2、，提高系統(tǒng)運(yùn)行 可靠性；同時(shí)無需外配專門的 PID 調(diào)節(jié)器以及其它外圍電路， 從而降低了基于變頻器的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的綜合投資成 本，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。在供水系統(tǒng)中，由于用戶用水 量的時(shí)變特性，傳統(tǒng)的繼電器直接控制供水系統(tǒng)缺乏根據(jù)需 水負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能，從而造成大量的水資源和電能浪費(fèi)， 同時(shí)水泵電機(jī)長期處于額定運(yùn)行工況，從而降低了整個(gè)電機(jī) 拖動(dòng)系統(tǒng)的綜合使用壽命。采用基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng) 可以根據(jù)用戶需水量的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使整個(gè)供水 系統(tǒng)長期處于輸入輸出平衡運(yùn)行工況，能夠起到很好的節(jié)能 降耗效果。1 水泵電機(jī)變頻節(jié)能控制原理 實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)中水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中具有 較高

3、的電能轉(zhuǎn)換效率，保持其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)性能，實(shí)際 就是通過相應(yīng)的技術(shù)手段保持水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在供水全 過程中輸入與輸出間保持平衡。恒壓供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速控 制，實(shí)際上就是通過控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過，使其根據(jù) 用戶需水量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)化水泵電機(jī)運(yùn)行曲線，保持整個(gè)電機(jī) 拖動(dòng)系統(tǒng)長期運(yùn)行在最優(yōu)節(jié)能工況中。恒壓供水系統(tǒng)中變頻 調(diào)速水泵電機(jī)動(dòng)態(tài)節(jié)能調(diào)節(jié)控制優(yōu)化工況曲線， 如圖 1 所示。恒壓供水系統(tǒng)中水泵電機(jī)的節(jié)能優(yōu)化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)際上 就是通過變頻器內(nèi)部 PID 等轉(zhuǎn)換單元將供水管網(wǎng)中的壓力波 動(dòng)信號(hào)偏差轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制頻率信號(hào)，直接作用在 電機(jī)輸入電源中控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使供水系統(tǒng)中輸入與輸出 間達(dá)

4、到動(dòng)態(tài)平衡。從工程實(shí)踐中可知，恒壓供水系統(tǒng)的調(diào)節(jié) 主要包括閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速控制兩種變流量調(diào)節(jié)方式。從 圖 1 可知，當(dāng)供水管網(wǎng)中用水負(fù)荷減少時(shí)，用閥門進(jìn)行調(diào)節(jié) 時(shí)，就會(huì)關(guān)小調(diào)風(fēng)閥門的開度 e，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)中供水量從 QB減少到QA，對(duì)應(yīng)水泵電機(jī)的運(yùn)行工況曲線則會(huì)由R1變化到 R2 特性工況曲線上，實(shí)現(xiàn)了由原 B 工況點(diǎn)向 A 工況點(diǎn)得平滑過渡調(diào)節(jié)。但閥門調(diào)節(jié)中水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持額 定轉(zhuǎn)速，從而造成大量電能資源浪費(fèi)。基于變頻器的恒壓供 水系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)閥門變流量平滑調(diào)節(jié)功能外，還可以使 水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速由 n0 降低到 n1 工況曲線上，即將水泵電機(jī)運(yùn) 行工況點(diǎn)由 B 點(diǎn)平滑轉(zhuǎn)移到 C 點(diǎn)實(shí)

5、現(xiàn)平滑節(jié)能降耗平衡調(diào) 節(jié)。根據(jù)面積估算法表明，水泵電機(jī)采用恒壓變頻動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié) 控制模式后，其比傳統(tǒng)采用閥門變流量調(diào)節(jié)的恒壓供水系統(tǒng) 電機(jī)運(yùn)行功率要小很多（即圖1 中 SOECFSOEAH ），所取得的節(jié)能效果十分明顯，變頻恒壓供水系統(tǒng)中水泵電機(jī)節(jié)能 功率差值可到 P=SFCAH的節(jié)能降耗效果。2 基于變頻器恒壓供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 為了提高基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行穩(wěn)定可 靠性，文中除了采用內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)器的變頻器作為水壓信號(hào) 運(yùn)算分析核心單元外，還采用PLC （或單片機(jī)）控制器、低通濾波器、5V（ 12V）直流穩(wěn)壓電源，其邏輯組成總體設(shè)計(jì) 方案，如圖 2 所示。從圖 2 可知，當(dāng)整個(gè)

6、供水系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，安裝在 水泵出水總管上的壓力傳感器就會(huì)自動(dòng)采集管網(wǎng)中用戶的 用水壓力信號(hào)， 即供水主干管網(wǎng)中的需水壓力信號(hào)變成 0-5V 的模擬信號(hào)，然后送給 PLC （或單片機(jī)）為核心的控制器， 經(jīng)過控制器中模數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成變頻器控制系統(tǒng)所 需的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)低通濾波器處理后，進(jìn)入到變頻器的 內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)器中， 與系統(tǒng)設(shè)定的水壓信號(hào)進(jìn)行比差分析運(yùn) 算后，形成對(duì)應(yīng)的水壓偏差信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào) 直接作用在水泵電機(jī)供電電源上，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)水泵 電機(jī)輸入與輸出間動(dòng)態(tài)平衡節(jié)能調(diào)節(jié)。變頻器作為整個(gè)恒壓供水調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的核心，其輸入 端可以直接 380V ， 5

7、0Hz 的市電交流電源，供電電源十分方 便，同時(shí)其輸出端可以直接與水泵電機(jī)電源端相連，邏輯接 線十分清晰簡單。變頻器的輸出端電壓可以根據(jù)供水系統(tǒng)用 戶負(fù)荷波動(dòng)情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓 0-380V ，頻率在 0-50Hz 范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變化， 實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的輸 入與輸出間的動(dòng)態(tài)平衡。水泵電機(jī)的供電電源直接取自變頻 器的輸出交流電源， 其轉(zhuǎn)速直接由變頻器內(nèi)部 PID 調(diào)節(jié)器等 控制單元自動(dòng)轉(zhuǎn)換，即當(dāng)供水系統(tǒng)中用水量增加時(shí)，變頻器 的輸出電壓頻率就會(huì)自動(dòng)增大，從而控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速增 加；相反，當(dāng)供水系統(tǒng)中用水負(fù)荷減少時(shí)，水泵電機(jī)電源頻 率就會(huì)隨之減小，轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低。相比閥門靜態(tài)變流量恒

8、壓 調(diào)節(jié)模式，變頻器恒壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，水泵電機(jī)的輸 入電源電壓頻率會(huì)隨用水負(fù)荷的降低而動(dòng)態(tài)減小，從而使電 機(jī)運(yùn)行電壓和電流相應(yīng)減小，相應(yīng)其運(yùn)行能耗也會(huì)大大減 少，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的， 起到很到的節(jié)能效果。 另外， 基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)中，水泵電機(jī)可以在變頻器調(diào)節(jié) 下實(shí)現(xiàn)降壓軟啟動(dòng)，即在電機(jī)起動(dòng)過程中，其工作電流是緩 慢平滑上升的，不會(huì)產(chǎn)生較大的起動(dòng)沖擊電流，可以省去電 機(jī)起動(dòng)相關(guān)補(bǔ)償設(shè)備，從而大大提高了電機(jī)綜合使用壽命和 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠性。3 基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)改造應(yīng)用節(jié)能 效益分析某工廠供水系統(tǒng)主要包括 2 臺(tái) 60kw 水泵，由于供水系 統(tǒng)原有設(shè)計(jì)采用閥門的變

9、流量恒壓控制系統(tǒng)，其在運(yùn)行過程 中水泵電機(jī)長期處于額定運(yùn)行工況，同時(shí)由于工廠需水量的 不定時(shí)性，造成大量的電能資源浪費(fèi)。據(jù)整個(gè)供水系統(tǒng) 2 年 的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，這個(gè)水泵電機(jī)的能源轉(zhuǎn)換（下轉(zhuǎn)第 102 頁）（上接第 153 頁）效率只有 27% ，也就是由于采用閥門的變流量恒壓供水 控制方式， 造成了大約 60%的電能資源浪費(fèi)在閥門變流量調(diào) 節(jié)過程中。于是結(jié)合供水系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用一臺(tái) 75kw 的變頻器并聯(lián)拖動(dòng)兩臺(tái)水泵電機(jī)， 按照變頻 -工頻交替運(yùn)行方 式實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓變頻節(jié)能調(diào)節(jié)，即：當(dāng)系統(tǒng)需水量處 于 0-50% 供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)總流量時(shí)，采取單臺(tái)水泵變頻調(diào)速運(yùn) 行，另外一臺(tái)水泵停運(yùn)備用

10、的運(yùn)行方式；當(dāng)供水系統(tǒng)處于 50%-80%供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)總流量時(shí)，其中一臺(tái)水泵電機(jī)采取工 頻運(yùn)行方式，另一臺(tái)采取變頻調(diào)速運(yùn)行方式；當(dāng)供水系統(tǒng)處 于 80%-100% 供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)總流量時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)均采用工頻4 結(jié)束語 在對(duì)該工廠供水系統(tǒng)采取基于變頻器的恒壓供水變頻 調(diào)速技術(shù)升級(jí)節(jié)能改造后，其水泵電機(jī)的平均月電能轉(zhuǎn)換效 率由改造前的 27% 有效提升到 73%，其節(jié)電率高達(dá) 46%。如 果整個(gè)變頻調(diào)速裝置按照 15 萬元計(jì)算，則整個(gè)工程供水系 統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造后，在大概 1 年半的實(shí)踐內(nèi)就 能完全收回成本，故采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)對(duì)原閥門靜態(tài)調(diào) 節(jié)的恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，其所取得的節(jié)能經(jīng)濟(jì) 效益十分可觀。參考