水泵電機(jī)節(jié)水器的設(shè)計(jì)

魏 喬/河南工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心

水泵電機(jī)節(jié)水器的設(shè)計(jì)

魏 喬/河南工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心

我國的電動機(jī)用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1／3。由此可見，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及居民生活中，水泵應(yīng)用范圍極為廣泛。用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多。存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。效率低下。造成電能的大量浪費(fèi)。在不更換原水泵的情況下，在現(xiàn)有水泵電機(jī)上加裝節(jié)電器，采用變頻技術(shù)對其進(jìn)行變頻改造，通過改變運(yùn)行頻率來改變轉(zhuǎn)速，則可節(jié)約大量的電能。

水泵電機(jī)；變頻調(diào)速；節(jié)電

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展以及人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，水泵電機(jī)節(jié)電器以其節(jié)能、環(huán)保和高品質(zhì)的供水特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。水泵電機(jī)節(jié)電器的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級調(diào)速，根據(jù)電流的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，保持水壓的恒定以滿足節(jié)電效果及用水要求，同時(shí)具有各種保護(hù)功能。

本文研究設(shè)計(jì)的水泵電機(jī)節(jié)電器可以用于居民小區(qū)、企業(yè)、醫(yī)院、機(jī)場等場所的生活用水的控制，也可以用于各類型的自來水廠、增壓泵站，供熱空調(diào)循環(huán)用水系統(tǒng)、工業(yè)鍋爐補(bǔ)水系統(tǒng)，化工、制冷空調(diào)和其他工業(yè)及民用領(lǐng)域。

下面用一個(gè)例子對水泵電機(jī)節(jié)電器的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體闡明。例：運(yùn)用水泵電機(jī)節(jié)電器對一居民小區(qū)4棟7層樓，居住224戶，住宅類型為3型(有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設(shè)備)進(jìn)行節(jié)電供水。保證日夜供水。對于這個(gè)例子，系統(tǒng)的電氣組成框圖如圖1所示。

二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)主要設(shè)備的選擇

1．PLC的選擇。

PLC是整個(gè)水泵電機(jī)節(jié)電器控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素，以日本三菱PLC為例，該P(yáng)LC有FX、A、Q三大系列，結(jié)合我們節(jié)電供水系統(tǒng)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不是特別多的特點(diǎn)，我們只要選擇FX一IN就可以了(FX一ZN的性能優(yōu)于FX一IN)。

2．變頻器類型的選擇。

結(jié)合該工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程與經(jīng)驗(yàn)，以負(fù)載的要求為主要宗旨對變頻器的類型進(jìn)行選擇：

（1）對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因其在轉(zhuǎn)速精度及動態(tài)性能等方面要求一般不高，可選用基于異步電動機(jī)恒壓頻比控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器；

（2）如果被控對象具有一定的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)要求，這類負(fù)載一般要求在低速時(shí)也要有較硬的機(jī)械特性，因而可采用基于異步電動機(jī)開環(huán)控制的無轉(zhuǎn)速反饋矢量控制功能的變頻器；

（3）如果被控對象具有較高的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)要求，且對于調(diào)速精度和動態(tài)性能指標(biāo)都有較高要求，可采用帶速度反饋的矢量控制方式的變頻器，或者采用恒轉(zhuǎn)矩功能型的閉環(huán)控制變頻系統(tǒng)；

3.變頻器參數(shù)的選擇 。

（1）變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇，可按照電動機(jī)的額定容量進(jìn)行選則。對于一般的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，變頻器的容量可比電動機(jī)的容量放大一級，比如，90kW 的電動機(jī)可以選用 110kW的變頻器。如果過載能力較大，必要時(shí)可將變頻器的容量放大一倍；針對風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，由于過載要求較低，一般可直接按照電機(jī)的額定功率作為最終選擇的依據(jù)，不必進(jìn)行放大。

（2）變頻器額定電流的選擇

在對啟動時(shí)間要求不高的情況下，出于多方面的考慮，所選擇變頻器的標(biāo)稱功率可能小于電動機(jī)額定功率。但是由于較低變頻器容量不僅會降低穩(wěn)定運(yùn)行的功率，也會降低最大過載轉(zhuǎn)矩，甚至引起啟動困難，因而實(shí)際選擇時(shí)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻器標(biāo)稱功率不應(yīng)小于電動機(jī)額定功率的 80％；而風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載不應(yīng)小于 65％ 。

4.確定用水標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)4棟7層樓，居住224戶，住宅類型為3型進(jìn)行節(jié)電供水統(tǒng)計(jì)可知，該居民小區(qū)的用水標(biāo)準(zhǔn)取0.13～0.19m3/人日（取0.19m3/人日）。

5.確定每小時(shí)最大用水量。

根據(jù)4棟7層樓，居住224戶，住宅類型為3型進(jìn)行節(jié)電供水相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)可知，該小區(qū)每小時(shí)最大用水量為43.80m3/h

6.確定水泵、變頻器的型號。

由設(shè)定供水壓力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

平房供水壓力p=0.12MPa；樓房供水壓力

p=（0.08+0.04×樓層數(shù)）MPa可確定該小區(qū)供水壓力值為：

P=（0.08+0.04×7）=0.36MPa。

根據(jù)供水揚(yáng)程計(jì)算公式：H=P/0.01=0.36/0.01=36m

式中，H為供水揚(yáng)程；P為供水壓力；0.01MPa為1m的供水壓力。

由下表1-3確定水泵型號為50LG24-20×2共2臺，水泵自帶電動機(jī)功率為5.5 KW，選用三懇力達(dá) SAMCO-vm05變頻器SPF-5.5K，配接SWS供水基板，容量為5.5KW。

注： 50LG24-20×2

50 - 泵進(jìn)出口直徑 (mm)

LG - 立式多級分段式離心泵

24 - 泵設(shè)計(jì)流量 (m3/h）

20 - 泵設(shè)計(jì)點(diǎn)單級揚(yáng)程 (m)

2 - 級數(shù)

查5.5KW電機(jī)的銘牌：額定電壓380v；額定電流11.1A ；功率因數(shù)0.88。測試電機(jī)空載電流為2A。設(shè)電流上限為：11.1A；電流下限為∶2A。可以選用ABB的LNP3 15/20mA的電流互感器。三肯 SPF-5.5K 通用變頻器

7.電氣原理圖設(shè)計(jì)。

圖2 水泵電機(jī)節(jié)電器的電氣原理圖

在圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)選擇變頻控制時(shí)，SB1，SB2分別控制電機(jī)M1的啟動和停止。當(dāng)系統(tǒng)選擇工頻控制時(shí)，SB3，SB4分別控制電機(jī)M2的啟動和停止。KM3為保護(hù)繼電器，電流互感器采集的電機(jī)工作電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到反饋信號，反饋信號經(jīng)過PLC的處理來控制變頻器；當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到電流上限值時(shí)，PLC控制繼電器KM3，電機(jī)M1停止并控制Y4報(bào)警。

（二）系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)出部分控制程序：

1.FX2N PLC通過RS485模塊與變頻器通訊的部分程序：

2.FX2N PLC控制的部分程序：

三、結(jié)論

通過一個(gè)應(yīng)用實(shí)例闡述了水泵電機(jī)節(jié)電器的硬件，硬件功能以及硬件功能的選擇；分析設(shè)計(jì)了水泵電機(jī)節(jié)電器的軟件；本系統(tǒng)共有2臺5.5kW的水泵電機(jī)，假設(shè)按每天運(yùn)行16小時(shí)，其中4小時(shí)為額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，其余12 h為80％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，一年365天節(jié)約電能為：

W = 5.5×12×[1-（80/100）3]×365 = 11756kW.h

若每1kW.h電價(jià)為0.60元，一年可節(jié)約電費(fèi)：

0.60×11756=7053.6元

可見，對傳統(tǒng)供水系統(tǒng)進(jìn)行改造，按現(xiàn)在的市場價(jià)格，一年即可收回投資。以后多年運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

通過研究，本文采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)節(jié)電。對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過計(jì)算說明了本文研究設(shè)計(jì)的水泵電機(jī)節(jié)電器實(shí)現(xiàn)的節(jié)電效果。