試談變頻調(diào)速節(jié)能控制在水泵電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用①

李祥志

(江蘇三江電器集團(tuán)股份有限公司 江蘇靖江 214516)

從目前來(lái)看，高能耗已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)、建筑給排水等領(lǐng)域中各類水泵電機(jī)系統(tǒng)亟待解決的突出問(wèn)題，同時(shí)也是我國(guó)社會(huì)向綠色節(jié)能經(jīng)濟(jì)目標(biāo)發(fā)展的一大阻礙。在此背景下，我們有必要對(duì)變頻調(diào)速節(jié)能控制在水泵電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行討論，嘗試尋找出兼具經(jīng)濟(jì)性與可行性的水泵電機(jī)系統(tǒng)改造路徑。

1 變頻調(diào)速節(jié)能控制在水泵電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用原理

從本質(zhì)上講，除了設(shè)備零件老化磨損、安裝精度存在缺陷以外，水泵性能未能高效利用也是導(dǎo)致水泵能耗居高不下的一大原因[1]。此時(shí)，將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到水泵電機(jī)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)當(dāng)中，能有效提升電機(jī)的能效比率，增高單位電能的功率因數(shù)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能控制的理想效果。在變頻調(diào)速技術(shù)的支持下，水泵電機(jī)在獲得50Hz頻率的交流電供給后，會(huì)立即觸發(fā)PLC自動(dòng)控制中心向變頻器發(fā)出指令，進(jìn)而通過(guò)相關(guān)電路將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源。其后，再經(jīng)由變頻器對(duì)直流電路的動(dòng)態(tài)控制，輸出可調(diào)可控的交流電源頻率及電壓，并基于此實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)能的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。這樣一來(lái)，隨著需求側(cè)水量需求的波動(dòng)變化，水泵電機(jī)系統(tǒng)的工況也將作出相對(duì)調(diào)整，進(jìn)而達(dá)成電能供給、電機(jī)效率與泵水需求的協(xié)調(diào)平衡。

具體來(lái)講，在傳統(tǒng)的運(yùn)行模式下，水泵電機(jī)系統(tǒng)的電能消耗及工況參數(shù)是恒定的。此時(shí)，若需求側(cè)的水量需求較低，將會(huì)造成大量的電能浪費(fèi)，進(jìn)而形成一定量的無(wú)用能耗；若需求側(cè)的水量需求較高，也會(huì)導(dǎo)致水泵電機(jī)系統(tǒng)承受較高的運(yùn)行負(fù)荷，在降低水泵電機(jī)系統(tǒng)工作效率的同時(shí)，引發(fā)設(shè)備局部過(guò)熱、零件異常磨損等問(wèn)題，不利于水泵電機(jī)系統(tǒng)的壽命穩(wěn)定與生產(chǎn)安全[2]。而在應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能控制后，這一情況可得到極大改善。假定水泵電機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行工況位于A點(diǎn)，此時(shí)需求側(cè)的水量需求為Q點(diǎn)。其后，若水量需求有所下降，PLC自動(dòng)控制中心便會(huì)通過(guò)改變電壓輸出與電源頻率，驅(qū)動(dòng)水泵關(guān)小泵水閥門，同一坐標(biāo)系中的A、Q兩點(diǎn)也將隨之下降，即表明電機(jī)系統(tǒng)處于低能耗的工作平衡狀態(tài)；若水量需求有所上升，PLC自動(dòng)控制中心也將提高供電等級(jí)，驅(qū)動(dòng)泵水閥門達(dá)到全開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)，雖然同一坐標(biāo)系中的A、Q兩點(diǎn)同處高位，但其轉(zhuǎn)化值相對(duì)穩(wěn)定，即表明電機(jī)系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化功率處在正常范圍內(nèi)。此外，受惠于變頻調(diào)速技術(shù)的漸進(jìn)式控制模式，水泵電機(jī)系統(tǒng)的A點(diǎn)（即工況）變化并不會(huì)驟升或驟降，故而不會(huì)對(duì)整體供水網(wǎng)絡(luò)形成過(guò)大的沖擊影響，可滿足需求側(cè)用戶連續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)用水要求[1]。

2 變頻調(diào)速節(jié)能控制在水泵電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用策略

2.1 變頻調(diào)速節(jié)能控制下水泵電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造

在以PLC自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行水泵電機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能控制改造時(shí)，可通過(guò)如下方式進(jìn)行控制系統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)：將PLC自動(dòng)控制裝置與PID調(diào)節(jié)器相連，再將PID調(diào)節(jié)器另一端與變頻設(shè)備相接，并在變頻設(shè)備處裝設(shè)傳感器部件。在此連接結(jié)構(gòu)下，傳感器可對(duì)供水管線處的壓力值進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至PLC自動(dòng)控制中心，據(jù)此通過(guò)PID調(diào)節(jié)器完成變頻設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)整。這樣一來(lái)，作用于水泵電機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)便會(huì)形成“水量監(jiān)測(cè)—變頻控制—控制后水量監(jiān)測(cè)—再次控制”的流程循環(huán)，使水泵電機(jī)時(shí)時(shí)處在最適宜的運(yùn)行狀態(tài)。

以兩大一小三臺(tái)水泵的設(shè)計(jì)改造為例：該水泵電機(jī)系統(tǒng)需要一套自動(dòng)控制系統(tǒng)及兩個(gè)壓力傳感器進(jìn)行優(yōu)化改造。變頻設(shè)備主要控制2號(hào)與3號(hào)兩臺(tái)大型水泵，而1號(hào)小型水泵則長(zhǎng)期處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。在通常情況下，3號(hào)水泵始終處于閥門閉合的狀態(tài)，僅需1號(hào)、2號(hào)水泵即可滿足日常的生產(chǎn)需求。若壓力傳感器感應(yīng)到需求側(cè)的用水量較小，則會(huì)在PLC自動(dòng)控制中心的指令反饋下觸發(fā)變頻設(shè)備，使2號(hào)水泵進(jìn)入變頻狀態(tài)，并隨實(shí)際需求進(jìn)行工況調(diào)整；若壓力傳感器感應(yīng)到需求側(cè)的用水量升高，PLC自動(dòng)控制中心則會(huì)調(diào)動(dòng)變頻設(shè)備對(duì)3號(hào)水泵進(jìn)行變頻控制。此時(shí)，1號(hào)、2號(hào)水泵同處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，3號(hào)水泵隨實(shí)際情況進(jìn)行工況調(diào)整。其后，若仍無(wú)法滿足當(dāng)前的生產(chǎn)用水需求，自動(dòng)控制系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)退出水泵電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行活動(dòng)，使1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)水泵同處于最大化的貢品運(yùn)行狀態(tài)，以確保供水輸出的最大化。

2.2 變頻調(diào)速節(jié)能控制下水泵電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)選擇

邏輯電路控制具有投入成本低、系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但在控制精度上存在一定的局限性，且抗干擾能力相對(duì)較弱，與水泵電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能需求有所出入；單片微機(jī)電路控制方式的性能較強(qiáng)，但系統(tǒng)調(diào)試難度較大，需要專業(yè)人員對(duì)電路進(jìn)行針對(duì)性修改；PLC自動(dòng)控制方式多與PID調(diào)節(jié)器、傳感器等設(shè)備裝置搭配應(yīng)用，可結(jié)合傳感器傳回的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)完成水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泵水壓力、泵水量級(jí)的連續(xù)變化。同時(shí)，PLC自動(dòng)控制方式以控制中心處的預(yù)設(shè)程序作為運(yùn)行基礎(chǔ)，具備操作簡(jiǎn)單、成本較低的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，相關(guān)人員在應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)進(jìn)行水泵電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造時(shí)，可將PLC自動(dòng)控制技術(shù)作為首選。

除此之外，相關(guān)人員在應(yīng)用變頻技術(shù)時(shí)，也應(yīng)注重其合理性。具體來(lái)講，應(yīng)選擇功率值與水泵電機(jī)功率相當(dāng)?shù)淖冾l器設(shè)備，以滿足大區(qū)間、高效率的供電頻率轉(zhuǎn)化需求。若變頻器的功率分級(jí)與水泵電機(jī)的功率分級(jí)存在差異時(shí)，應(yīng)使變頻器功率盡可能多地接近水泵電機(jī)功率，并保證水泵電機(jī)功率處在變頻器功率的工作區(qū)間內(nèi)。在選擇變頻器類型時(shí)，要考慮到水泵電機(jī)系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性，選擇箱體封閉、防水抗蝕的變頻器設(shè)備，如IP45型、IP65型等。另外，若水泵電機(jī)系統(tǒng)的供電網(wǎng)絡(luò)存在較大的起伏波動(dòng)，則需要酌情選擇大一級(jí)的變頻器設(shè)備，以確保電源質(zhì)量的持續(xù)穩(wěn)定。同時(shí)，也有助于避免電壓電流起伏較大對(duì)水泵機(jī)組及配套設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，引發(fā)設(shè)備損壞、電路過(guò)載等事故問(wèn)題[3]。

2.3 變頻調(diào)速節(jié)能控制下水泵電機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)

一般情況下，首先要基于理論上的水泵機(jī)組運(yùn)行周期與工作強(qiáng)度，對(duì)核心設(shè)備、次要部件進(jìn)行細(xì)致檢驗(yàn)、隱患排查與清潔保養(yǎng)，并進(jìn)行設(shè)備連接部位、輪軸部位的潤(rùn)滑處理[3]；其次，總結(jié)水泵電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行、控制過(guò)程中的重點(diǎn)問(wèn)題，如電流電壓異常、噪音明顯、震動(dòng)異常等，并進(jìn)行針對(duì)性的故障處理，以確保設(shè)備運(yùn)行性能的恢復(fù)，將能耗轉(zhuǎn)化率維持在較高水平；最后，需要對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主板、線路及配套裝置進(jìn)行全面檢修與保養(yǎng)，如插件固接、主板除塵、線路絕緣保護(hù)等，以便水泵電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各類數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳輸與有效反饋，為變頻調(diào)速節(jié)能控制的可靠落實(shí)夯實(shí)基礎(chǔ)。做好水泵電機(jī)系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢查修整與維護(hù)保養(yǎng)，既是避免相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生永久性故障的重要舉措，也是保障水泵電機(jī)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行、持續(xù)節(jié)能減耗的必要手段。