基于變頻技術的水泵節能控制系統的研究

摘 要： 隨著變頻技術的不斷完善、發展，變頻調速性能日趨完美。變頻技術已被廣泛應用于不同領域的交流調速。通過分析變頻器在水泵控制系統中的應用，闡述了水泵變頻技術的節能原理，控制方法及變頻技術改造的優點。

關鍵詞： 水泵； 節能； 變頻技術； 變頻調速

中圖分類號： TN344?34； TE937 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0166?02

Research on water pump energy conversation control system

based on frequency conversion technology

WANG Yu?yu， LIU Shao?jun

（Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi’an 710089， China）

Abstract： With the continuous perfection and development of the frequency conversion technology， the frequency control performance is becoming more and more perfect. The frequency conversion technology has been widely used in different fields of AC speed control. Through analyzing the application of frequency converter in the water pump control system， the energy?saving principle， control method and advantages of the frequency conversion technology reform of the water pump frequency conversion technology are described.

Keywords： water pump； energy conversation； frequency conversion technology； frequency control

0 引 言

目前，在國民經濟各部門中水泵與風機的應用面非常廣，數量極多，耗電量大。據相關統計，全國電力總量的40%左右被風機、水泵消耗。當前，風機、水泵依然還有非常大的節能空間，其節能的焦點問題是如何最大程度提高水泵和風機的運行效率。現在，大約70%的泵類、風機負載中仍采用閥門或風擋的方法來調節流量，導致電機長時間處在輕載或空載的運行狀態，造成能源的大量浪費[1]。正因如此，在全國普及節能潛力巨大的 變頻調速技術有著重大的社會和經濟價值以及現實意義。

1 水泵節能的原理分析

可以通過兩種方法來調節水流量，其一是通過關小或開大閥門來調節流量，而轉速保持不變（通常為額定轉速）即閥門控制法。另一種方法是通過改變水泵電機轉速來調節流量，而閥門開度保持不變（通常為最大開度）即轉速控制法[2]。前者易于理解，不再多述。后者是利用水泵電動機的變頻調速技術進行轉速控制，從而達到對水流量的控制以及行之有效的節能效果。接下來重點對轉速控制法的節能原理進行闡述。

1.1 供水功率的比較

（1）若水泵、風機能夠符合三個相似條件即運動相似、動力相似、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[3]：

[Q1Q2=n1n2， H1H2=n1n22， P1P2=n1n23]

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①為水泵在額定轉速下的揚程特性曲線，其與管阻特性曲線②交于[A]點，對應流量[QA，]此時水泵軸功率[P]與矩形[QAAHTAO]的面積成正比。若欲將流量減半，使用閥門控制時，則新的管阻特性曲線③與揚程特性曲線①相交于[B]點，此時水泵軸功率[P]正比于矩形[QBBHTBO]的面積。由圖可見，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④，管路特性仍為曲線②，故工作點移至[C]點。此時與水泵軸功率[P]成正比的矩形的面積[QBCHTCO]與[QAAHTAO]相比明顯減少，這說明軸功率下降了很多，節能效果十分明顯[4?5]。

圖1 水泵變轉速調節的節能原理圖

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：

[ηP=PGPP]

式中：水泵的供水功率[PG]是根據實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[6]。

水泵的相對工作效率[η?]的近似計算公式如下：

[η?=C1Q?/n?-C2Q?n?2]

式中：[Q?，n?，η?]分別是流量、轉速、效率的相對值（實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，當使用閥門控制法降低流量時，因為轉速保持恒定，即[n?=1，Q?n?]的值減小，圖2中的曲線①即為它的效率曲線 [7]。如果流量[Q?=]0.6，其效率減小至點[B。]由此可見，隨著水泵流量的降低，其工作效率發生了十分明顯的下降。若采用轉速控制法，閥門開度是恒定不變的，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，效率即為曲線②的[C]點，與曲線①上[A]點（[Q?=]1.0時）的效率是完全相等的。由此得出結論：利用轉速控制法時，水泵的工作效率始終保持最優狀態。

2 變頻調速運行的原理

2.1 變頻調速的原理

交流異步電動機的轉速為：

[n=60fp1-s=n01-s]

式中：[n0]為同步轉速；[f]為電源頻率；[p]為電動機極對數；[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[8]。

由式[U1≈E1=4.44f1Nkω1?m]可知：

[U1f1=const]屬于恒磁通或恒轉矩調速。

（2）基頻[f1N]以上過載能力保持不變。

[U1f1=const]屬于恒功率調速。如圖3所示。

圖2 水泵工作效率曲線

圖3 變頻調速的控制特性

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的實際壓力，輸出的電壓信號送入信號處理器，經A/D轉換后，輸入PLC，在PLC中由控制程序進行壓力的比較，即給定壓力和管網壓力的比較，回送至信號處理器，經D/A轉換后，輸出到變頻器，對變頻器的輸出頻率進行調節，進而控制水泵電機的轉速以達到恒壓的目的[9]。同時PLC根據壓力差，輸出控制信號，執行相關接觸器的動作。

圖4 變頻恒壓供水系統圖

5 結 語

不能簡單地把變頻調速技術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。因此一定要考慮實際情況，采用與之相對應節能方法，才能行之有效。

參考文獻

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