淺談變頻調(diào)速技術(shù)在給水系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：變頻調(diào)速技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，在給水系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)給水泵調(diào)速控制技術(shù)的性能、節(jié)能效果、恒壓供水、軟啟功能等進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速技術(shù) 水泵 恒壓 節(jié)能

1 概述

近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在給水系統(tǒng)備中得到應(yīng)用，使得水泵電機(jī)按運(yùn)轉(zhuǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低系統(tǒng)功耗達(dá)到高效運(yùn)行的效果。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在給水系統(tǒng)中的應(yīng)用原理

在給水系統(tǒng)中，水泵電機(jī)的調(diào)速是通過變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，常用的交流異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

n=60f（1-s）/p

公式中：n——交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f——交流異步電動(dòng)機(jī)的頻率；

s——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；

p——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由轉(zhuǎn)速公式n=60f（1-s）/p可知，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率f，改變轉(zhuǎn)差率s，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p三種方式，在電機(jī)生產(chǎn)好后極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率是固定的，唯一能改變的就是頻率，跟水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率是成正比的，故而通過調(diào)控供給電機(jī)電源頻率的變化來(lái)調(diào)控水泵的轉(zhuǎn)速是一種理想高效率、高性能的調(diào)速手段。

2.1 變頻器調(diào)速給水系統(tǒng)

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圖1 變頻器給水系統(tǒng)

變頻器是變頻調(diào)速技術(shù)的核心部件，以圖1為例說明，兩臺(tái)給水泵一用一備、兩臺(tái)給水泵共用一臺(tái)變頻器的工作模式。電節(jié)點(diǎn)壓力表安裝在水泵出水側(cè)主干管上，測(cè)試給水泵出水側(cè)主干管上水壓數(shù)值。PLC壓力設(shè)定值與所測(cè)水泵出水側(cè)主干管壓力信號(hào)在PLC編制的控制程序中進(jìn)行比較，其差值量信號(hào)作為PLC輸給變頻器調(diào)速的給定值。變頻器可變的輸出頻率供給水泵電機(jī)，使水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到相應(yīng)變化，故而保證供水管網(wǎng)壓力的恒定。如果遇到用水高峰時(shí)段，當(dāng)主供給水泵不能夠滿足用戶恒定壓力時(shí)，PLC可把主供給水泵切換至工頻運(yùn)行，把變頻器切換至備用給水泵變頻起動(dòng)，達(dá)到管網(wǎng)用戶所需恒定壓力，若壓力超過管網(wǎng)用戶設(shè)定值時(shí)，變頻器調(diào)節(jié)備用給水泵速度使壓力恒定。若壓力升高到所需恒定值，變頻器頻率已減少至最低，則可讓備用給水泵退出，變頻器切換到主供給水泵進(jìn)行調(diào)速使管網(wǎng)壓力保持恒定。

2.2 變頻調(diào)速給水系統(tǒng)一次控制主回路詳解

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圖2 一次控制主電路

如圖2所示，L1、L2、L3接三相380V交流電源，R、S、T為變頻器的一次輸入端子，U、V、W為變頻器逆變后的輸出電源接線端子，SB1、SB2為手動(dòng)啟停按鈕，當(dāng)按下SB1時(shí)KM1吸合，變頻器得電，其啟動(dòng)過程的特點(diǎn)有：頻率從最低頻率0Hz開始按預(yù)置的加速時(shí)間逐漸上升，電機(jī)的輸入電壓也從最低電壓開始逐漸上升。轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)速度很低，故起動(dòng)瞬間的沖擊電流很小，如在整個(gè)起動(dòng)過程中，使同步轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n間的轉(zhuǎn)差△n限制在一定范圍內(nèi)，則起動(dòng)電流也將限制在一定范圍內(nèi)。另一方面，也減小了起動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，加速過程將能保持平穩(wěn)，減少了對(duì)機(jī)械的沖擊，如圖3所示。

2.2.1 變頻器如何選擇

①需根據(jù)變頻器容量的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算變頻器容量大小，各參數(shù)值確定變頻器的容量，計(jì)算公式如下：

PE≥KPM/ηcosφ

PE≥k■UMIM×10-3

IE≥kIM （也就是說變頻器的額定電流要稍大于水泵電機(jī)的額定電流）

注：PE——變頻器的額定容量（KVA）；

IE——變頻器的額定電流（A）；

PM——負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率（KW）；

Η——水泵電機(jī)的效率（通常約為80℅）；

cosφ——電機(jī)的功率因數(shù)（通常約為0.8）；

UM——水泵電機(jī)的額定電壓（V）；

IM——水泵電機(jī)額定電流（A）；

K——電流波形的修正系數(shù)（PWM變頻方式時(shí)取1.0～1.05）；

k——取定系數(shù)為1.1。

②對(duì)于高海拔地區(qū)（超過1000m），變頻器的容量還應(yīng)乘1.25倍系數(shù)，變頻器的安裝場(chǎng)所應(yīng)考慮環(huán)境的溫度（0～40℃）、濕度（35～85%RH）、大氣壓力（86～106Kpa），并且使用環(huán)境無(wú)腐蝕性氣體、無(wú)可燃性氣體、無(wú)塵埃、無(wú)爆炸危險(xiǎn)物、無(wú)震動(dòng)。

2.2.2 變頻調(diào)速給水系統(tǒng)二次控制部分電氣的技術(shù)要求

①PLC控制器選擇要最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)能方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展、升級(jí)。

②壓力變送器、PID控制器的視在功率很小，宜采用PLC的DC24V輸出端供電。

③PID控制器采用輸出信號(hào)4～20mA，給定信號(hào)4～20mA，反饋信號(hào)4～20mA。

④壓力變送器可采用合金薄膜變送器，二線制4～20mA的輸出，測(cè)量0.2～1.6Mpa，電源DC24V。

3 運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)能分析

以一臺(tái)給水泵恒壓定流量供水為例，第一種方式是水泵工頻運(yùn)行通過水泵出口閥門調(diào)節(jié)恒壓，第二種方式是水泵通過變頻器調(diào)速來(lái)控制恒壓，根據(jù)流體力學(xué)的基本定律，水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速與軸功率、壓力、流量具有以下關(guān)系：軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比、壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比、流量與轉(zhuǎn)速成正比。

當(dāng)采用第一種方式讓水泵工頻運(yùn)行，通過水泵出口處出水閥門來(lái)控制出水流量，假設(shè)給水泵它的額定轉(zhuǎn)速為no，出口壓力為H，其Q＼H＼n關(guān)系見圖4，水泵出口控制閥門全打開時(shí)，管網(wǎng)的阻力線性為T0曲線，額定功率工頻運(yùn)行的情況下與之對(duì)應(yīng)的出口壓力為H1，出口流量為Q1，當(dāng)水泵出口流量從Q1減小至Q2時(shí)，水泵出口控制閥門打開度減小使管網(wǎng)阻力線性T0變?yōu)門1，系統(tǒng)工作點(diǎn)線性沿方向T0由原來(lái)的X點(diǎn)移動(dòng)至Y點(diǎn)，受其閥門阻力作用壓力H1變?yōu)镠2。根據(jù)幾何學(xué)的觀點(diǎn)運(yùn)算面積差來(lái)比較水泵功耗的大小，則水泵由X點(diǎn)移至Y點(diǎn)工作時(shí)，電機(jī)節(jié)省的功耗為XQ10H1和YQ20H2的面積之差。

當(dāng)采用第二種方式變頻調(diào)速控制時(shí)，假設(shè)改變水泵的轉(zhuǎn)速n，當(dāng)水泵出口流量從Q1減小至Q2時(shí)，那么管網(wǎng)阻力性線為同一曲線T0，系統(tǒng)工作點(diǎn)線性將沿方向n0由原來(lái)的X點(diǎn)移至Z點(diǎn)。此時(shí)水泵電機(jī)節(jié)省的功耗為XQ10H1和ZQ20H3的面積之差。

所以采用第一種方式閥門開啟度控制調(diào)節(jié)水量方式大于第二種水泵轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)水量節(jié)能功耗面積之差，顯然使用第二水泵變頻調(diào)速控制技術(shù)有明顯節(jié)能效果。

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圖4 H、Q、n 關(guān)系

4 常見運(yùn)行故障分析

4.1 過流

過流可分為減速、恒速、加速過電流，有可能是變頻器的負(fù)載發(fā)生突變、輸出短路、加減速時(shí)間太短等因素造成的。

4.2 過載

過載包括電機(jī)過載和變頻過載，有可能是負(fù)載過重、加速時(shí)間短、電壓低等因素造成的。

4.3 缺相、欠壓

電源輸入不正確，需檢查確認(rèn)輸入的相間電壓值是否符合規(guī)定要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在給水系統(tǒng)中，不但消除了不安全隱患因素，并使系統(tǒng)始終處于一種節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，因此在給水系統(tǒng)中變頻調(diào)速技術(shù)具有很好的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉宣（1976-），男，山西興縣人，工程師，建筑電氣、給排水、采暖通風(fēng)空調(diào)。