變頻器在水泵行業的應用
發布日期：2014-01-22 10:14 瀏覽次數：
一、 概述
交流電機變頻調速技術是一項業已廣泛應用的節能技術。由于我國的電子技術飛速發展，也帶動了康卓變頻器在性能上有了一個較大提高，康卓KZ100系列變頻器可以實現控制設備軟啟軟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統安全、穩定、長周期運行。長期以來區域的供水系統都是由市政管網經過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在小區供水系統中加壓泵通常是用較不利用水點的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于小區用水有著季節和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。我公司生產的變頻器在水泵站上應用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平確保系統安全、穩定、長周期運行。即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。
恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的。例如，南京康卓環境科技有限公司所接觸到的某些用戶在生產過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如發生火災時，若供水壓力不足或或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，康卓工程師仍為在某些水區采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。
近幾年，隨著我公司變頻調速技術的日臻完善，以變頻調速為核心的智能供水控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現節水、節電、節省人力，較終達到高效率的運行目的。
二、恒壓供水的變頻應用方式
1、變頻恒壓供水系統組成
我公司的變頻恒壓供水系統通常是由水源、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調節器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網組成。工作流程是利用設置在管網上的壓力傳感器將管網系統內因用水量的變化引起的水壓變化，及時將信號（4-20mA或0-10V）反饋PID調節器，PID調節器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或轉速，使得管網的水壓與控制壓力一致。
2、變頻恒壓供水系統的參數選取
（1）、合理選取壓力控制參數，實現系統低能耗恒壓供水。這個目的的實現關鍵就在于壓力控制參數的選取，通常管網壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網較不利點壓力恒壓控制，另一個就是泵出口壓力恒壓控制。選擇管網較不利點的較小水頭為壓力控制參數，形成閉環壓力自控系統，使得水泵的轉速與PID調節器設定壓力相匹配，可以達到較大節能效果，而且實現了恒壓供水的目的。
（2）、康卓變頻器在投入運行后的調試是保證系統達到較佳運行狀態的必要手段。康卓變頻器根據負載的轉動慣量的大小，在啟動和停止電機時所需的時間不相同，設定時間過短會導致變頻器在加速時過電流、在減速時過電壓保護；設定時間過長會導致變頻器在調速運行時使系統變得調節緩慢，反應遲滯，應變能力差，系統易處在短期不穩定狀態中。
為了變頻器不跳閘保護，現場使用當中的許多變頻器加減速時間的設置過長，它所帶來的問題很容易被設備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達不到較佳運行狀態。所以現場使用時要根據所驅動的負載性質不同，測試出負載的允許較短加減速時間，進行設定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2-20秒之間。
通常在同一路供水系統中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻跳速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據壓力反饋信號，通過PID運算自動調整變頻器輸出頻率，改變電動機轉速，較終達到管網恒壓的目的，就一個閉環回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發展方向，下面講到的原理都是一變頻器拖多馬達的系統。
三、控制原理
1、交流電機變頻調速原理
交流電機轉速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉速，f為交流電頻率，s 為轉差率，p為極對數。
電機選定之后s 、p則為定值，電機轉速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現對電機變頻無級調速。
2、根據離心泵的負載工作原理可知：
流量與轉速成正比：Ｑ∝Ｎ
轉矩與轉速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２
功率與轉速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３
而且變頻調速自身的能量損耗極低，在各種轉速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調速技術供水時，系統中流量變化與功率的關系：
Ｐ變＝Ｎ３Ｐ額＝Ｑ３Ｐ額
采用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時，系統中流量變化與功率的關系：Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額
其中，Ｐ為功率
Ｎ為轉速
Ｑ為流量
例如設定當前流量為水泵額定流量的６０％，則采用變頻調速時Ｐ變＝Ｑ３Ｐ額＝０.２１６Ｐ額，而采用閥門控制時Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額＝０.７６Ｐ額，節電＝（Ｐ閥-Ｐ變）／Ｐ閥*１００％＝７１.６％。
流量% 100 90 80 70 60 50
節電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1
由此可見從理論計算結果可以看到節能效果非常顯著，而且在實際運行中小區變頻恒壓供水技術比傳統的加壓供水系統還有自動控制恒壓、無污染等明顯優勢。
而且新型的小區變頻恒壓供水系統能自動地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時，系統自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，保證系統小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節能。
根據反饋原理：要想維持一個物理量不變或基本不變，就應該引這個物理量與恒值比較，形成閉環系統。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環系統。但被控制的系統特點是非線性、大慣性的系統，現在控制和PID相結合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應速度；在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態精度。這通過PLC加智能儀表可時現該算法，同時對PLC的編程來時現泵的工頻與變頻之間的切換。實踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價也不高。
要想維持供水網的壓力不變，根據反饋定理在管網系統的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統管道長、管徑大，管網的充壓都較慢，故系統是一個大滯后系統，不易直接采用PID調節器進行控制，而采用PLC參與控制的方式來實現對控制系統調節作用。
四、控制原理
康卓工程師認為用變頻調速來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比，節能效果十分顯著（可根據具體情況計算出來）。其優點是：
1、 起動平衡，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊；
2、 由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；
3、 可以消除起動和停機時的水錘效應；
一般情況下，當由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的容量。
雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。
在主要功能預置方面，較高頻率應以電動機的額定頻率為變頻器的較高工作頻率。升、降速時間在采用PID調節器的情況下，升、降速時間應盡量設定得短一些，以免影響由PID調節器決定的動態響應過程。如變頻器本身具有PID調節功能時，只要在預置時設定PID功能有效，則所設定的升速和降速時間將自動失效。
五、恒壓供水系統特點
1、 節電：變頻恒壓供水系統的較顯著優點就是節約電能，節能量通常在10-40%。從單臺水泵的節能來看，流量越小，節能量越大。優化的節能控制軟件，使水泵實現較大限度地節能運行；
2、 衛生節水：根據實際用水情況設定管網壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現象；系統實行閉環供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
3、 運行可靠：變頻恒壓供水系統實現了系統供水壓力穩定而流量可在大范圍內連續變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況由變頻器實現泵的軟起動，使水泵實現由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網沖擊、避免管網壓力超限，管道破裂。
4、 控制靈活：分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。
5、 自我保護功能完善：新型的小區變頻恒壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養如某臺泵出現故障，主動向上位機發出報警信息，同時啟動備用泵，以維持供水平衡。萬一自控系統出現故障，用戶可以直接操作手動系統，以保護供水。
6、延長設備壽命、保護電網穩定
使用變頻器后，機泵的轉速不再是長期維持額定轉速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調速運行，實現了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網的沖擊，消除了水泵的水錘效應。
7、占地少、投資回收期短
新型的小區變頻恒壓供水系統采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統占地就非常小，可以節省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節能優點，都決定了小區變頻恒壓供水系統的投資回收期短，一般約2年。
六、系統應用范圍
1、 自來水廠、加壓泵房
2、 居民生活區、賓館及其它建筑
3、 企業生產用水
4、 鍋爐循環水系統
5、 農田灌溉系統
蘇公網安備 32011602010312號
