變頻器控制在水泵中的應用與節能分析

蔡祝奇

（紹興市雪花機電有限公司，浙江 紹興 312000）

變頻器控制是當前最有效且最具發展前景的調速模式，在各行各業中獲得普遍運用。本文簡要分析變頻器控制在水泵中的應用與節能問題。

1 變頻器控制水泵運行的原理

變頻器主要控制水泵的工作轉速，主要原理和節能模式為：在水泵、閥門和管道構成的管道體系內，水泵克服管道阻力，泵送出水。在未利用變頻器的管道系統中，水泵泵送水的流量利用出水閥門進行調節，水泵需克服出水閥與管道的阻力。在利用了變頻器的管道系統中，出水閥無須控制，水泵僅克服管道阻力即可，管道對水泵揚程要求標準更低。這時候，若要更改水泵流量，直接調節水泵轉速，確保水泵揚程和管道阻力彼此匹配。

管道阻力和泵送流量相關。如下圖1為水泵調速過程中性能改變的原理，水泵進水閥和出水閥均開啟，水泵運行轉速為n1，水泵工作位置A(流量Qa和揚程Ha)，管路產生阻力曲線為HR1；如果系統所需流量Qb，無變頻器的系統調節方式為關小水泵出水閥門，水泵工作位置移動到B，管道阻力曲線HR2，水泵揚程提升至Hb；若應用變頻器進行速度調節，那么管路阻力曲線不會發生改變，水泵工作部位移動到C，水泵轉速為n2，揚程為Hc。不難看出，Hb＞Ha＞Hc，在忽略效率作用的基礎上，水泵功率P=γQH/η存在差異，應用變頻器的功率最低，節能△P=γQ（Ha-Hc）/η［1］。

圖1 水泵調速過程中性能改變原理

2 變頻器控制的優劣性以及保養工作

許多人因變頻器控制和傳統控制方式相比更加耗電，否決了變頻器控制水泵的優越性，此類觀點并不正確。變頻供水與傳統高位水箱供水比較情況如下：

2.1 變頻器控制水泵供水的優劣性

其優點為：①健康環保、防止水體二次污染；②節約成本，降低占地，具有更好的社會效益；③水壓恒定，防止對閥門和水表的損害；④降低對電網系統產生的沖擊；⑤高自動化水平，降低人力資源成本，保護性能較佳；⑥切實降低水錘效應；⑦延長裝置使用年限，高位水箱不會滲漏水。其劣勢為：①長時間工作耗電量大；②專業水平要求嚴格，需高技能人員進行養護。

2.2 高位水箱供水的優劣性分析

其優勢為：①維修簡便；②節約能源；其劣勢為：①較大的二次污染，極易使蚊蟲與老鼠鉆入；②成本投入大，占用面積大；③較高水壓，較大的水錘效應，對出水閥門和水表損害較大；④與高壓水箱距離較近的樓層水壓小且不穩；⑤啟動功率較大，對電網系統沖擊嚴重，容易破壞電機和水泵；⑥水箱容易發生滲漏水；⑦清洗工作繁雜，水資源浪費；⑧管理不便。

2.3 變頻器的保養工作

當前，變頻器的更新換代速度更快，性能也持續提升，更多新式產品問世，且功能全面。盡管變頻器類型較多，可其應用和保養以及故障維修方式基本沒有明顯差別。在現實運用階段，由于腐蝕氣體、溫濕度、震動以及顆粒的不良作用，變頻器的性能會出現改變。若養護和應用科學合理，就可以降低突發性故障導致的損失，提升使用年限。若應用和養護不合理，則會發生各類故障，造成其無法正常運行，所以，變頻器的日常養護和定期檢測非常關鍵。日常養護和檢測工作主要為：①檢測變頻器工作的環境溫度，通常大約25℃最佳，一般要求為-10℃～40℃之間；②觀察變頻器的顯示界面上反映出的輸出電壓電流以及頻率等各類數據有無異常。顯示界面的顯示清晰與否，有無缺失；③應用測溫工具檢查變頻器溫度正常與否，有無異味情況，風扇工作是否異常，散熱暢通與否，在其工作階段有無故障告警。檢測輸入電壓的最大值，若輸入電壓高出最大值，就算變頻器未工作，同樣會對其線路板產生損害。進行定期檢測的時候，檢測之前需斷開電源，變頻器停止工作，顯示界面指示燈熄滅，待變頻器電容器充分放電之后，應用萬用表進行確認無誤，方可繼續進行。

3 變頻器控制在水泵中的應用和節能分析

3.1 PID控制、PLC控制以及模糊控制

①PID控制器即屬于比例、積分以及微分控制系統，YTZ電阻遠傳壓力表傳輸的升降壓信號在此處通過對應的處置即可管控變頻器的輸出頻率。水中壓強的細微改變均會導致泵多次進行速度調節，造成水泵和電機相連的橡膠部位發生破損，形成振蕩和超調情況，同樣使一些電功率產生無謂消耗；②PLC屬于運用廣泛的工業用微型計算機，而其實際是繼電器和CPU的整合產物。基于客戶現實用水需求量設置的數學模型和程序，利用編程系統，滿足了PLC控制要求，和變頻器、水泵以及遠傳壓力表構成閉環電路，其具備自動化、軟啟動方式、高穩定水壓強、高可靠、使用年限長、節約電力、低成本投入和便于維護的優勢；③模糊控制就是應用邏輯推理的方式消除模糊量化，屬于計算機技術之后研發出的新式技術。模糊控制的供水方式屬于一類高性價比的方案，具備推廣價值［2］。

3.2 變頻器控制在水泵中的應用節能

變頻器控制在水泵中應用，能夠對系統實行閉環控制。在出水管中安裝流量傳感系統，采集壓力或者流量數據，傳輸到PLC控制系統，將其和額定參數進行對比，對比計算之后對變頻系統下達命令，變頻系統則調節水泵工作頻率，控制泵轉動速度，進而控制水泵的工作狀態。若水泵控制應用閥門方式，其揚程還需克服閥的阻力，就會消耗部分功率，出水閥的開度更小，產生的阻力更大，功率的消耗就更大。運用變頻器可以消除閥門阻力，切實提高水泵工作效率。

3.3 水泵并聯中變頻調速泵的運用

現實的運用過程中，多個泵并聯，對其實行變頻調速，以滿足流量管控要求。可變頻系統的成本投入大，多水泵應用一一對應的控制成本太高，所以，僅需增加一個泵的變頻調速功能，并聯在系統中，其他水泵保持之前的運行狀態，就可以達到系統的節能要求。該系統的運行原理：在泵并聯系統運行的時候，需優先啟動變頻調速水泵，流量自0逐漸提升，持續提升到額定的流量。如果額定流量高于變頻調速水泵能承受的最高流量，則開啟其他的普通水泵，變頻調速水泵獲得信號回饋之后降低轉動速度，確保輸出流量總量下降至額定需求；同樣，如果單一變頻調速水泵與單一普通水泵無法達到系統需求的情況下，開啟第二個普通水泵，若依然無法滿足，開啟第三個普通水泵，依次下去，直到滿足要求為止。此外，基于流量需求的不同范圍，也能夠選取對應的額定流量水平泵匹配運作，確保運行的經濟性。

4 總結

如上述，變頻器控制在水泵中的應用效果顯著，能充分發揮變頻器的節能性，針對任何規格的水泵，均能進行節能化處置，降低水泵的工作成本。具備非常廣闊的發展前景。

［1］吳昌斌.變頻器控制在水泵中的應用與節能分析［J］.包裝與食品機械，2014（3）：60-62.

［2］劉剛.變頻器在水泵改造中的應用及節能分析［J］.特鋼技術，2014（3）：57-59.