變頻器在水泵控制中的應用與節能

方紅云

【摘 要】隨著社會經濟快速發展，我國目前已經遭遇了嚴峻的資源危機，特別是能源方面，為了節能減排，保護環境，火電廠發電量減少。因此，各行各業必須要要找到新能源進行綠色經濟的發展。與此同時，我國的變頻節能技術發展很快，目前已經在很多生產領域都有了廣泛且深入的應用。其中應用最廣泛的當屬工業供水行業。在水泵控制中采用變頻器，不僅能進行整體調控還可以減少生產能耗損失。變頻節能技術還有著高自動化能動性。不過在工業供水的實際應用中對于節能變頻裝置的選擇可把控是非常重要的，不然就無法實現節能的目的。本論文著重分析研究了在水泵中，變頻器的實際應用以及節能方法，并總結歸納出了一些變頻器在水泵控制中如何更好實現應用和節能的方法建議。

【關鍵詞】變頻器控制；水泵；節能措施；實際應用

伴隨著科學技術的發展進步和廣大人民群眾對于生活質量需求的日益提升，人們對于日常生活供水就有了更多訴求。供水質量與供水系統是有著緊密聯系的，這就要求相關技術人員不斷提升供水系統的質量了。供水系統中水泵的重要性更是不言而喻的。在我國各行各業中水泵的廣泛也是應用數量最多的。采用變頻恒壓控制方式來控制水泵的使用，在我們的日常生活用水，消防用水以及工業生產用水等領域中，都得到了大范圍的使用。現在被廣泛應用的變頻恒壓控制水泵方式和傳統的供水方式相比，有不可比擬的優勢。其中最大的問題就是，采取傳統控制方式控制水泵在實際生產中往往存在電能浪費過多的問題。目前我國正在加大力度推行實施資源節約型社會的建設，而采用將變頻器運用到用到控制水泵的工作中來，可以對水泵的運行進行掌控，還可以降低能耗損失。論文著重分析研究了變頻器在水泵控制中的實際使用操作方法和節能原理，并總結歸納了出了一些變頻器在水泵控制中如何更好實現應用和節能的方法建議，以供參考和交流。

一、電機變頻調速的原理

我們先來了解一下變頻器的概念。在傳統的水泵系統中轉速是確定的，而水泵的出水量主要則是通過閥門實行操控。傳統水泵系統的缺點就在于不夠靈活，而且也會導致出現大規模的能源損耗。而電機變頻調速就是在水泵控制中采取電機變頻調速來實現。這樣一來便可應用變頻器變頻調速技術對水泵的轉速進行調節，還能影響水泵和管道相互之間阻力大小，就能實現控制出水量的目的，最終達到降能減耗的目的。在常見的水泵系統中，動力的主要來源是電機，電機的轉速和頻率之間是成正比的，轉速則與電機的繞子對數是成反比的。所以在操作變頻器的時候要確保電機饒子對數不變化，對發動機的頻率進行實時調整，以此達到掌控發動機的轉速。對發動機轉速進行調控，就能實現控制水泵降能減耗的最終目的。

電機變頻調速具體理論原理如下：通常電機采用的都是三相交流電源，也就是三相交流異步電動機，而電機同步轉速和電源頻率、電機轉速、磁極對數和電源頻率的關系公式是： n=60f/p，n表示電機的同步轉速，f代表電源頻率，p 則為電機磁極對數，如前文所述電機的同步轉速與電源頻率成正比例（或線性）關系的。保持n不變，改變電源頻率 f 時就能改變電機的同步轉速。通常情況下電機運行時的實際轉速就近似是等于同步轉速的，所以也可以認為電機的實際轉速也是遵照上面這個公式的。而電機和泵之間通過硬聯軸器是連接到一起的，所以電機和水泵的實際轉速就是一樣的。那么也就是可以利用變頻器對供電電源的頻率進行調整，就能實現對水泵的轉速進行調節。變頻控制器通常可以選擇PLC或者是單片機。PLC優點是費用低，開發周期短，短時間內就能用，但價格貴一些。單片機可靠性較好，控制功能強，而且造價也比較便宜。在實際生產中大多是采取單片機作為控制器[1]。但對工業生產功率比較大的控制上，還是采用PLC與變頻器配合控制更安全合理，因此，在工業生產線上水供給用的也是比較廣的。例如硫酸生產、化工產品生產、石棉瓦生產線等。

二、水泵使用變頻器控制時節省費用的情況

（一）采用變頻器控制水泵的省電分析

水泵的電機功率公式如下：P=pgQH/（n1n2），Q代表流量，H則是揚程，p、g、n1、n2這幾個都是常數，從此公式可以得出水泵的流量Q和水泵的轉速是成正相關的，而水泵揚程H和水泵轉速則為二次方的關系。因此可以得出結論，水泵的電機功率P和水泵轉速是立方關系的。比方說有一臺水泵的電機額定功率是45kW，那么電機轉速降至原來轉速的0.9倍時，電機功率則變成了32.8kW，從此來算可以節省的電能比例可以達到27.1%；而當電機轉速下降到原轉速的0.6倍的時候，電機功率僅9.72kW，節省電能的比例可以的高達78.4%[2]。利用變頻器來進行水泵控制，就能實現節省電能的目的了。

（二）變頻器功率因數補償作用的節省分析

根據電路分析基礎理論我們便知道，在電力系統中無功功率主要會造成的影響是會增加線損。而若是電力系統變壓器額定容量保持不變，那么降低系統功率因數就會導致有功功率的降低，從而大大減弱變壓器的承載能力。有公式：有功功率=視在功率×功率因數，從該公式我們可以得知，變壓器的視在功率保持不變，則功率因數越大輸出的有功功率就越大。在采用變頻器對對水泵的電機進行調速控制之后，變頻器內部是采用了大容量的濾波電容，此種情況下水泵電機的功率因數可增大至無限接近1，從而大大的降低了無功功率的占用。電網的有功功率負荷和變壓器的帶載能力因此都得到了很大的提升。而據之前的數據統計顯示，在未使用變頻器時，普通電機的功率因數通常僅在0.6到0.8之間[3]。

（三）變頻器軟啟動功能的降本作用分析

三相異步交流電機若是使用的直接啟動或是星三角降壓的啟動方式，在啟動的瞬間，產生的電流就能高達5到7倍于額定電流，如此高的電流，對水泵電機本身和整個供電網絡都會產生嚴重的沖擊損傷。不僅如此，電機直接啟動時所產生的巨大沖擊力，還會對水泵和管道產生嚴重危害，還會減少機械設備的使用壽命。利用變頻器對水泵進行控制，變頻器的啟動過程是一個軟啟動的過程，啟動電流是從0開始緩慢的遞增的，電機的整個啟動過程都不會出現突然上升的電波，電流緩慢增長到特定值時就會穩定。因此對電網幾乎是不會造成電流沖擊，同時還延長了電機、水泵、管路等的使用壽命，也減少了設備部件的后期維護檢修次數。

三、水泵變頻調速系統的構成和設計

變頻器系統主要組成部分是兩個，一個是硬件系統，另一個是軟件系統組成，硬件系統是能將水泵與變頻器實現直接對接再實行操作，主要包括變頻器、可編程控制器（PLC）和檢測傳感器（如壓力傳感器）等等；軟件系統則是指變頻器的參數設置，依照實際工作情況對參數進行調整達到不同的控制效果，通常指PLC中的控制程序以及變頻器的參數設置等。例：恒壓供水系統，因有一此知識產權保護，我就不提供PLC控制程系和變頻器參數調整的數值（變頻器參數調整的數值要根據具體需要設置）。

（一）硬件構成

第一步是做好硬件組成的設計準備工作。主要包括電力電線通信和變頻器的選項工作。要根據設計系統的控制功能、I/O點數等，挑選對應型號的主控配件，還要做好I/O接線和電氣設備控制原理的工作。另外還要對廠房環境進行檢測。

首先是環境溫度，額定溫度設置在27±2℃，上限為29℃，下限為25℃，中央空調開停基數則設定為27℃，一般情況只開一臺機組進行工作，以免造成溫度變化過大。另外還要根據循環風進出溫度差來設定好循環水泵和風機的數目和開停工作。還有對系統運行中的冷煤排氣壓力進行設定，壓力值應當小于等于28Mpa，吸氣壓力則要小于3Mpa，這樣的壓力設定可以降低機組出現問題故障的概率。最后還要給控制系統配上對應的設備裝置。

（二）軟件設計

軟件設計當以水泵的實際運轉情況為基礎，設定不同控制程序，對變頻器設置不同參數值，只有保證一定的數據變量，才能給硬件系統供以科學的定量數據，進而幫助變頻器對水泵實現控制達到節能減耗的目的。比如：B1-02=1，可以保障數據輸入的順序，B5-09=0，就可以約束輸出數據保持在正向狀態等。

四、變頻器在實際水泵控制系統中的應用

水泵運轉主要是依靠變頻器來控制運轉速度。在水泵系統控制中運用變頻器就能對水泵系統實現閉環控制。主要是通過在水泵出水管路中加裝流量或壓力傳感器設備，實時收集管道的壓力和流量數據，再提交到 PLC 控制器，將實際數據和系統給定的額定參數進行對比，在PLC 控制器的對比計算之后，將調控信號輸出到變頻器。變頻器在對動力電源頻率 f進行調整，實現對水泵轉速 n的控制，從而進行水泵運行情況的實時調控。水泵若是采取的閥門控制裝置，泵的揚程就有一部分需要克服閥門阻力，就會導致部分功率被浪費掉，而閥門開度越小受到的阻力就越大，因此消耗的功率也會越多。根據目前我國的熱網循環泵、補水泵以及穩壓泵的實際應用情況可以看出，在具體的生產實踐過程中，很多時候是需要對閥門進行頻繁的啟動和關閉動作，這些操作來說，非常容易就造成極大的電力能源損耗，這也不符合目前社會的節能性要求。針對這個問題，通過使用變頻器確實是能夠發揮較好的節能目的，從而可以大大減少因為閥門開關所造成的能源損耗。同時在變頻器的實際應用過程中，變頻器具有的調速功能，在很大程度是可以幫助減少不必要的能源的使用。從而達到更好的節能目的。對于這種變頻器在水泵控制中的應用來說，從技術層面來分析，目前最常見的且能滿足實際需求的兩種技術分別是單片機技術和PLC控制技術[4]。這兩種技術都能夠在較大程度上提升水泵變頻控制的精度和準確性，也可以保障水泵的正常工作運轉。

五、結語

從上文對變頻器水泵控制中的應用與節能的具體分析可以知道，在目前的水泵發展歷程中， 若能對變頻器進行合理，科學的使用，是能夠發揮出很大的作用的。不僅可以實現對水泵的較高的控制水平，還能在一定程度上達到節能減耗的作用。通過使用變頻器能產生這么多的好處和作用，因此可以說做好變頻器在水泵控制中的應用是非常有必要的，。當然伴隨著我國水泵技術的革新和發展，對變頻器也應該有改革和創新，這樣才能提升變頻器在實際工作中的使用價值和效果，對應節能減耗的效果提升工作，更應當進行針對性的研究發展。想要進行科技改革創新，對于相關科研人員的要求也會有所提高。不僅是要增強對變頻技術的研究， 還應當針對水泵控制機制實現嚴密分析探索，確保變頻器可以更好地適應于水泵調控工作環節， 從而實現最佳的控制， 而變頻控制水平的提高也必定會增強水泵的節能減耗的效果。

【參考文獻】

[1]張玉梅，張九妹，杜建軍.變頻器常見故障的分析與處理[J]. 礦山機械. 2011（11）：28-30.

[2]胡迪芳，馬劍.高壓變頻器在循環水泵中的應用[J]. 變頻器世界. 2010（09） ：12-16.

[3]譚有廣，劉峰，許郢.應用能源技術.水泵的變頻調速節能原理分析[J]. 2004（03） ：41-44.

[4]劉松，鞏固，變頻技術在水泵控制系統中的應用[J]，山東煤炭科技，2011（05）：36-38.