變頻器在水泵控制中的應(yīng)用與節(jié)能

方紅云

【摘 要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)目前已經(jīng)遭遇了嚴(yán)峻的資源危機(jī)，特別是能源方面，為了節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，火電廠發(fā)電量減少。因此，各行各業(yè)必須要要找到新能源進(jìn)行綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。與此同時(shí)，我國(guó)的變頻節(jié)能技術(shù)發(fā)展很快，目前已經(jīng)在很多生產(chǎn)領(lǐng)域都有了廣泛且深入的應(yīng)用。其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬工業(yè)供水行業(yè)。在水泵控制中采用變頻器，不僅能進(jìn)行整體調(diào)控還可以減少生產(chǎn)能耗損失。變頻節(jié)能技術(shù)還有著高自動(dòng)化能動(dòng)性。不過(guò)在工業(yè)供水的實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于節(jié)能變頻裝置的選擇可把控是非常重要的，不然就無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。本論文著重分析研究了在水泵中，變頻器的實(shí)際應(yīng)用以及節(jié)能方法，并總結(jié)歸納出了一些變頻器在水泵控制中如何更好實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和節(jié)能的方法建議。

【關(guān)鍵詞】變頻器控制；水泵；節(jié)能措施；實(shí)際應(yīng)用

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和廣大人民群眾對(duì)于生活質(zhì)量需求的日益提升，人們對(duì)于日常生活供水就有了更多訴求。供水質(zhì)量與供水系統(tǒng)是有著緊密聯(lián)系的，這就要求相關(guān)技術(shù)人員不斷提升供水系統(tǒng)的質(zhì)量了。供水系統(tǒng)中水泵的重要性更是不言而喻的。在我國(guó)各行各業(yè)中水泵的廣泛也是應(yīng)用數(shù)量最多的。采用變頻恒壓控制方式來(lái)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(yè)生產(chǎn)用水等領(lǐng)域中，都得到了大范圍的使用。現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的變頻恒壓控制水泵方式和傳統(tǒng)的供水方式相比，有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。其中最大的問(wèn)題就是，采取傳統(tǒng)控制方式控制水泵在實(shí)際生產(chǎn)中往往存在電能浪費(fèi)過(guò)多的問(wèn)題。目前我國(guó)正在加大力度推行實(shí)施資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)，而采用將變頻器運(yùn)用到用到控制水泵的工作中來(lái)，可以對(duì)水泵的運(yùn)行進(jìn)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(shí)際使用操作方法和節(jié)能原理，并總結(jié)歸納了出了一些變頻器在水泵控制中如何更好實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和節(jié)能的方法建議，以供參考和交流。

一、電機(jī)變頻調(diào)速的原理

我們先來(lái)了解一下變頻器的概念。在傳統(tǒng)的水泵系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速是確定的，而水泵的出水量主要?jiǎng)t是通過(guò)閥門(mén)實(shí)行操控。傳統(tǒng)水泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)就在于不夠靈活，而且也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)大規(guī)模的能源損耗。而電機(jī)變頻調(diào)速就是在水泵控制中采取電機(jī)變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣一來(lái)便可應(yīng)用變頻器變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，還能影響水泵和管道相互之間阻力大小，就能實(shí)現(xiàn)控制出水量的目的，最終達(dá)到降能減耗的目的。在常見(jiàn)的水泵系統(tǒng)中，動(dòng)力的主要來(lái)源是電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率之間是成正比的，轉(zhuǎn)速則與電機(jī)的繞子對(duì)數(shù)是成反比的。所以在操作變頻器的時(shí)候要確保電機(jī)饒子對(duì)數(shù)不變化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以此達(dá)到掌控發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，就能實(shí)現(xiàn)控制水泵降能減耗的最終目的。

電機(jī)變頻調(diào)速具體理論原理如下：通常電機(jī)采用的都是三相交流電源，也就是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，而電機(jī)同步轉(zhuǎn)速和電源頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁極對(duì)數(shù)和電源頻率的關(guān)系公式是： n=60f/p，n表示電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f代表電源頻率，p 則為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，如前文所述電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比例（或線性）關(guān)系的。保持n不變，改變電源頻率 f 時(shí)就能改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。通常情況下電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速就近似是等于同步轉(zhuǎn)速的，所以也可以認(rèn)為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速也是遵照上面這個(gè)公式的。而電機(jī)和泵之間通過(guò)硬聯(lián)軸器是連接到一起的，所以電機(jī)和水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速就是一樣的。那么也就是可以利用變頻器對(duì)供電電源的頻率進(jìn)行調(diào)整，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻控制器通?？梢赃x擇PLC或者是單片機(jī)。PLC優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，開(kāi)發(fā)周期短，短時(shí)間內(nèi)就能用，但價(jià)格貴一些。單片機(jī)可靠性較好，控制功能強(qiáng)，而且造價(jià)也比較便宜。在實(shí)際生產(chǎn)中大多是采取單片機(jī)作為控制器[1]。但對(duì)工業(yè)生產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)線上水供給用的也是比較廣的。例如硫酸生產(chǎn)、化工產(chǎn)品生產(chǎn)、石棉瓦生產(chǎn)線等。

二、水泵使用變頻器控制時(shí)節(jié)省費(fèi)用的情況

（一）采用變頻器控制水泵的省電分析

水泵的電機(jī)功率公式如下：P=pgQH/（n1n2），Q代表流量，H則是揚(yáng)程，p、g、n1、n2這幾個(gè)都是常數(shù)，從此公式可以得出水泵的流量Q和水泵的轉(zhuǎn)速是成正相關(guān)的，而水泵揚(yáng)程H和水泵轉(zhuǎn)速則為二次方的關(guān)系。因此可以得出結(jié)論，水泵的電機(jī)功率P和水泵轉(zhuǎn)速是立方關(guān)系的。比方說(shuō)有一臺(tái)水泵的電機(jī)額定功率是45kW，那么電機(jī)轉(zhuǎn)速降至原來(lái)轉(zhuǎn)速的0.9倍時(shí)，電機(jī)功率則變成了32.8kW，從此來(lái)算可以節(jié)省的電能比例可以達(dá)到27.1%；而當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的0.6倍的時(shí)候，電機(jī)功率僅9.72kW，節(jié)省電能的比例可以的高達(dá)78.4%[2]。利用變頻器來(lái)進(jìn)行水泵控制，就能實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能的目的了。

（二）變頻器功率因數(shù)補(bǔ)償作用的節(jié)省分析

根據(jù)電路分析基礎(chǔ)理論我們便知道，在電力系統(tǒng)中無(wú)功功率主要會(huì)造成的影響是會(huì)增加線損。而若是電力系統(tǒng)變壓器額定容量保持不變，那么降低系統(tǒng)功率因數(shù)就會(huì)導(dǎo)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(shù)，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(shù)越大輸出的有功功率就越大。在采用變頻器對(duì)對(duì)水泵的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制之后，變頻器內(nèi)部是采用了大容量的濾波電容，此種情況下水泵電機(jī)的功率因數(shù)可增大至無(wú)限接近1，從而大大的降低了無(wú)功功率的占用。電網(wǎng)的有功功率負(fù)荷和變壓器的帶載能力因此都得到了很大的提升。而據(jù)之前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在未使用變頻器時(shí)，普通電機(jī)的功率因數(shù)通常僅在0.6到0.8之間[3]。

（三）變頻器軟啟動(dòng)功能的降本作用分析

三相異步交流電機(jī)若是使用的直接啟動(dòng)或是星三角降壓的啟動(dòng)方式，在啟動(dòng)的瞬間，產(chǎn)生的電流就能高達(dá)5到7倍于額定電流，如此高的電流，對(duì)水泵電機(jī)本身和整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊損傷。不僅如此，電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的巨大沖擊力，還會(huì)對(duì)水泵和管道產(chǎn)生嚴(yán)重危害，還會(huì)減少機(jī)械設(shè)備的使用壽命。利用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行控制，變頻器的啟動(dòng)過(guò)程是一個(gè)軟啟動(dòng)的過(guò)程，啟動(dòng)電流是從0開(kāi)始緩慢的遞增的，電機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程都不會(huì)出現(xiàn)突然上升的電波，電流緩慢增長(zhǎng)到特定值時(shí)就會(huì)穩(wěn)定。因此對(duì)電網(wǎng)幾乎是不會(huì)造成電流沖擊，同時(shí)還延長(zhǎng)了電機(jī)、水泵、管路等的使用壽命，也減少了設(shè)備部件的后期維護(hù)檢修次數(shù)。

三、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)

變頻器系統(tǒng)主要組成部分是兩個(gè)，一個(gè)是硬件系統(tǒng)，另一個(gè)是軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)是能將水泵與變頻器實(shí)現(xiàn)直接對(duì)接再實(shí)行操作，主要包括變頻器、可編程控制器（PLC）和檢測(cè)傳感器（如壓力傳感器）等等；軟件系統(tǒng)則是指變頻器的參數(shù)設(shè)置，依照實(shí)際工作情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整達(dá)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(shù)設(shè)置等。例：恒壓供水系統(tǒng)，因有一此知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，我就不提供PLC控制程系和變頻器參數(shù)調(diào)整的數(shù)值（變頻器參數(shù)調(diào)整的數(shù)值要根據(jù)具體需要設(shè)置）。

（一）硬件構(gòu)成

第一步是做好硬件組成的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作。主要包括電力電線通信和變頻器的選項(xiàng)工作。要根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制功能、I/O點(diǎn)數(shù)等，挑選對(duì)應(yīng)型號(hào)的主控配件，還要做好I/O接線和電氣設(shè)備控制原理的工作。另外還要對(duì)廠房環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。

首先是環(huán)境溫度，額定溫度設(shè)置在27±2℃，上限為29℃，下限為25℃，中央空調(diào)開(kāi)?；鶖?shù)則設(shè)定為27℃，一般情況只開(kāi)一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行工作，以免造成溫度變化過(guò)大。另外還要根據(jù)循環(huán)風(fēng)進(jìn)出溫度差來(lái)設(shè)定好循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)的數(shù)目和開(kāi)停工作。還有對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的冷煤排氣壓力進(jìn)行設(shè)定，壓力值應(yīng)當(dāng)小于等于28Mpa，吸氣壓力則要小于3Mpa，這樣的壓力設(shè)定可以降低機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題故障的概率。最后還要給控制系統(tǒng)配上對(duì)應(yīng)的設(shè)備裝置。

（二）軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)當(dāng)以水泵的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況為基礎(chǔ)，設(shè)定不同控制程序，對(duì)變頻器設(shè)置不同參數(shù)值，只有保證一定的數(shù)據(jù)變量，才能給硬件系統(tǒng)供以科學(xué)的定量數(shù)據(jù)，進(jìn)而幫助變頻器對(duì)水泵實(shí)現(xiàn)控制達(dá)到節(jié)能減耗的目的。比如：B1-02=1，可以保障數(shù)據(jù)輸入的順序，B5-09=0，就可以約束輸出數(shù)據(jù)保持在正向狀態(tài)等。

四、變頻器在實(shí)際水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

水泵運(yùn)轉(zhuǎn)主要是依靠變頻器來(lái)控制運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在水泵系統(tǒng)控制中運(yùn)用變頻器就能對(duì)水泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。主要是通過(guò)在水泵出水管路中加裝流量或壓力傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)收集管道的壓力和流量數(shù)據(jù)，再提交到 PLC 控制器，將實(shí)際數(shù)據(jù)和系統(tǒng)給定的額定參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，在PLC 控制器的對(duì)比計(jì)算之后，將調(diào)控信號(hào)輸出到變頻器。變頻器在對(duì)動(dòng)力電源頻率 f進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速 n的控制，從而進(jìn)行水泵運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)調(diào)控。水泵若是采取的閥門(mén)控制裝置，泵的揚(yáng)程就有一部分需要克服閥門(mén)阻力，就會(huì)導(dǎo)致部分功率被浪費(fèi)掉，而閥門(mén)開(kāi)度越小受到的阻力就越大，因此消耗的功率也會(huì)越多。根據(jù)目前我國(guó)的熱網(wǎng)循環(huán)泵、補(bǔ)水泵以及穩(wěn)壓泵的實(shí)際應(yīng)用情況可以看出，在具體的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，很多時(shí)候是需要對(duì)閥門(mén)進(jìn)行頻繁的啟動(dòng)和關(guān)閉動(dòng)作，這些操作來(lái)說(shuō)，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(huì)的節(jié)能性要求。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)使用變頻器確實(shí)是能夠發(fā)揮較好的節(jié)能目的，從而可以大大減少因?yàn)殚y門(mén)開(kāi)關(guān)所造成的能源損耗。同時(shí)在變頻器的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，變頻器具有的調(diào)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(dá)到更好的節(jié)能目的。對(duì)于這種變頻器在水泵控制中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，從技術(shù)層面來(lái)分析，目前最常見(jiàn)的且能滿(mǎn)足實(shí)際需求的兩種技術(shù)分別是單片機(jī)技術(shù)和PLC控制技術(shù)[4]。這兩種技術(shù)都能夠在較大程度上提升水泵變頻控制的精度和準(zhǔn)確性，也可以保障水泵的正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)。

五、結(jié)語(yǔ)

從上文對(duì)變頻器水泵控制中的應(yīng)用與節(jié)能的具體分析可以知道，在目前的水泵發(fā)展歷程中， 若能對(duì)變頻器進(jìn)行合理，科學(xué)的使用，是能夠發(fā)揮出很大的作用的。不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的較高的控制水平，還能在一定程度上達(dá)到節(jié)能減耗的作用。通過(guò)使用變頻器能產(chǎn)生這么多的好處和作用，因此可以說(shuō)做好變頻器在水泵控制中的應(yīng)用是非常有必要的，。當(dāng)然伴隨著我國(guó)水泵技術(shù)的革新和發(fā)展，對(duì)變頻器也應(yīng)該有改革和創(chuàng)新，這樣才能提升變頻器在實(shí)際工作中的使用價(jià)值和效果，對(duì)應(yīng)節(jié)能減耗的效果提升工作，更應(yīng)當(dāng)進(jìn)行針對(duì)性的研究發(fā)展。想要進(jìn)行科技改革創(chuàng)新，對(duì)于相關(guān)科研人員的要求也會(huì)有所提高。不僅是要增強(qiáng)對(duì)變頻技術(shù)的研究， 還應(yīng)當(dāng)針對(duì)水泵控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密分析探索，確保變頻器可以更好地適應(yīng)于水泵調(diào)控工作環(huán)節(jié)， 從而實(shí)現(xiàn)最佳的控制， 而變頻控制水平的提高也必定會(huì)增強(qiáng)水泵的節(jié)能減耗的效果。

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