基于变频技术的水泵节能控制系统的研究

0 引言

目前，在国民经济各部门中水泵与风机的应用面非常广，数量极多，耗电量大。据相关统计，全国电力总量的40%左右被风机、水泵消耗。当前，风机、水泵依然还有非常大的节能空间，其节能的焦点问题是如何最大程度提高水泵和风机的运行效率。现在，大约70%的泵类、风机负载中仍采用阀门或风挡的方法来调节流量，导致电机长时间处在轻载或空载的运行状态，造成能源的大量浪费。正因如此，在全国普及节能潜力巨大的变频调速技术有着重大的社会和经济价值以及现实意义。

1 水泵节能的原理分析

可以通过两种方法来调节水流量，其一是通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变(通常为额定转速)即阀门控制法。另一种方法是通过改变水泵电机转速来调节流量，而阀门开度保持不变(通常为最大开度)即转速控制法。前者易于理解，不再多述。后者是利用水泵电动机的变频调速技术进行转速控制，从而达到对水流量的控制以及行之有效的节能效果。接下来重点对转速控制法的节能原理进行阐述。

1.1 供水功率的比较

(1)若水泵、风机能够符合三个相似条件即运动相似、动力相似、几何相似，那么它可以应用相似定律。对于一台水泵而言，在不改变流体的密度ρ，而仅改变转速的条件下，它的性能参数遵守比例定律：

由上式可以看出，泵的流量、扬程以及轴功率分别与其转速、转速的平方、转速的立方成正比。

图1是水泵变转速调节的节能原理图。图中曲线①为水泵在额定转速下的扬程特性曲线，其与管阻特性曲线②交于A 点，对应流量QA,此时水泵轴功率P 与矩形QA AHTAO 的面积成正比。若欲将流量减半，使用阀门控制时，则新的管阻特性曲线③与扬程特性曲线①相交于B 点，此时水泵轴功率P 正比于矩形QB BHTBO 的面积。由图可见，两者面积相差不大，如果采用调速方法将水泵转速降为曲线④，管路特性仍为曲线②，故工作点移至C 点。此时与水泵轴功率P 成正比的矩形的面积QBCHTCO 与QA AHTAO 相比明显减少，这说明轴功率下降了很多，节能效果十分明显。

1.2 水泵工作效率的对比

水泵的工作效率ηP 等于水泵的供水功率PG 和水泵轴功率PP 之比，可表示为：

式中：水泵的供水功率PG 是根据实际供水的流量扬程算得的功率，是供水系统的输出功率。水泵的轴功率PP 是指水泵轴上的输入功率。

水泵的相对工作效率η- 的近似计算公式如下：

式中：Q-,n-,η- 分别是流量、转速、效率的相对值(实际值与额定值之比的百分数);C1,C2 为常数，并且C1 - C2 = 1 .

由上式可知，当使用阀门控制法降低流量时，因为转速保持恒定，即n- = 1,Q- n-的值减小，图2中的曲线①即为它的效率曲线。如果流量Q- = 0.6,其效率减小至点B.由此可见，随着水泵流量的降低，其工作效率发生了十分明显的下降。若采用转速控制法，阀门开度是恒定不变的，流量和转速成正比，即Q- n- = 恒量，由图2可知当流量Q- = 0.6时，效率即为曲线②的C 点，与曲线①上A 点(Q- = 1.0时)的效率是完全相等的。由此得出结论：利用转速控制法时，水泵的工作效率始终保持最优状态。

2 变频调速运行的原理

2.1 变频调速的原理

交流异步电动机的转速为：

式中：n0 为同步转速;f 为电源频率;p 为电动机极对数;s 为转差率。改变电源频率，同步转速也随之改变。

2.2 对变频调速的基本要求

(1)基频f1N 以下主磁通-m 保持不变。

3 水泵变频调速系统的控制方式

图4 所示为变频恒压供水系统图。其原理是由压力传感器测得供水管网的实际压力，输出的电压信号送入信号处理器，经A/D转换后，输入PLC,在PLC中由控制程序进行压力的比较，即给定压力和管网压力的比较，回送至信号处理器，经D/A 转换后，输出到变频器，对变频器的输出频率进行调节，进而控制水泵电机的转速以达到恒压的目的。同时PLC根据压力差，输出控制信号，执行相关接触器的动作。

5 结语

不能简单地把变频调速技术应用于所有供水系统，其用于水泵节能也是有限制条件的。对于管路损失占总扬程比例较大的供水系统，或流量频繁变化且幅度较大，以及流量明显偏小的系统适用于变频调速[10].若静扬程占总扬程比例较大以及流量较稳定的供水系统则不能使用变频调速技术。因此一定要考虑实际情况，采用与之相对应节能方法，才能行之有效。