浅谈变频调速技术在给水系统中的应用

摘要：变频调速技术是一门综合性的技术，在给水系统中得到广泛应用，对给水泵调速控制技术的性能、节能效果、恒压供水、软启功能等进行了论述。

关键词：变频调速技术 水泵 恒压 节能

1 概述

近年来随着电力电子技术的发展，变频调速技术在给水系统备中得到应用，使得水泵电机按运转工艺要求调整转速输出，从而降低系统功耗达到高效运行的效果。

2 变频调速技术在给水系统中的应用原理

在给水系统中，水泵电机的调速是通过变频器来实现的，常用的交流异步电机的同步转速表达式为：

n=60f（1-s）/p

公式中：n——交流异步电动机的转速；

f——交流异步电动机的频率；

s——电动机的转差率；

p——电动机的极对数。

由转速公式n=60f（1-s）/p可知，改变电动机转速的方法有改变旋转磁场频率f，改变转差率s，改变电动机极对数p三种方式，在电机生产好后极对数和转差率是固定的，唯一能改变的就是频率，跟水泵电机的转速与频率是成正比的，故而通过调控供给电机电源频率的变化来调控水泵的转速是一种理想高效率、高性能的调速手段。

2.1 变频器调速给水系统

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图1 变频器给水系统

变频器是变频调速技术的核心部件，以图1为例说明，两台给水泵一用一备、两台给水泵共用一台变频器的工作模式。电节点压力表安装在水泵出水侧主干管上，测试给水泵出水侧主干管上水压数值。PLC压力设定值与所测水泵出水侧主干管压力信号在PLC编制的控制程序中进行比较，其差值量信号作为PLC输给变频器调速的给定值。变频器可变的输出频率供给水泵电机，使水泵转速达到相应变化，故而保证供水管网压力的恒定。如果遇到用水高峰时段，当主供给水泵不能够满足用户恒定压力时，PLC可把主供给水泵切换至工频运行，把变频器切换至备用给水泵变频起动，达到管网用户所需恒定压力，若压力超过管网用户设定值时，变频器调节备用给水泵速度使压力恒定。若压力升高到所需恒定值，变频器频率已减少至最低，则可让备用给水泵退出，变频器切换到主供给水泵进行调速使管网压力保持恒定。

2.2 变频调速给水系统一次控制主回路详解

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图2 一次控制主电路

如图2所示，L1、L2、L3接三相380V交流电源，R、S、T为变频器的一次输入端子，U、V、W为变频器逆变后的输出电源接线端子，SB1、SB2为手动启停按钮，当按下SB1时KM1吸合，变频器得电，其启动过程的特点有：频率从最低频率0Hz开始按预置的加速时间逐渐上升，电机的输入电压也从最低电压开始逐渐上升。转子绕组与旋转磁场的相对速度很低，故起动瞬间的冲击电流很小，如在整个起动过程中，使同步转速n0与转子转速n间的转差△n限制在一定范围内，则起动电流也将限制在一定范围内。另一方面，也减小了起动过程中的动态转矩，加速过程将能保持平稳，减少了对机械的冲击，如图3所示。

2.2.1 变频器如何选择

①需根据变频器容量的计算公式来计算变频器容量大小，各参数值确定变频器的容量，计算公式如下：

PE≥KPM/ηcosφ

PE≥k■UMIM×10-3

IE≥kIM （也就是说变频器的额定电流要稍大于水泵电机的额定电流）

注：PE——变频器的额定容量（KVA）；

IE——变频器的额定电流（A）；

PM——负载所要求的电动机的轴输出功率（KW）；

Η——水泵电机的效率（通常约为80℅）；

cosφ——电机的功率因数（通常约为0.8）；

UM——水泵电机的额定电压（V）；

IM——水泵电机额定电流（A）；

K——电流波形的修正系数（PWM变频方式时取1.0～1.05）；

k——取定系数为1.1。

②对于高海拔地区（超过1000m），变频器的容量还应乘1.25倍系数，变频器的安装场所应考虑环境的温度（0～40℃）、湿度（35～85%RH）、大气压力（86～106Kpa），并且使用环境无腐蚀性气体、无可燃性气体、无尘埃、无爆炸危险物、无震动。

2.2.2 变频调速给水系统二次控制部分电气的技术要求

①PLC控制器选择要最大限度地满足被控对象的控制要求，系统结构力求简单，控制系统能方便的进行功能扩展、升级。

②压力变送器、PID控制器的视在功率很小，宜采用PLC的DC24V输出端供电。

③PID控制器采用输出信号4～20mA，给定信号4～20mA，反馈信号4～20mA。

④压力变送器可采用合金薄膜变送器，二线制4～20mA的输出，测量0.2～1.6Mpa，电源DC24V。

3 运转节能分析

以一台给水泵恒压定流量供水为例，第一种方式是水泵工频运行通过水泵出口阀门调节恒压，第二种方式是水泵通过变频器调速来控制恒压，根据流体力学的基本定律，水泵属于平方转矩负载，其转速与轴功率、压力、流量具有以下关系：轴功率与转速的立方成正比、压力与转速平方成正比、流量与转速成正比。

当采用第一种方式让水泵工频运行，通过水泵出口处出水阀门来控制出水流量，假设给水泵它的额定转速为no，出口压力为H，其Q＼H＼n关系见图4，水泵出口控制阀门全打开时，管网的阻力线性为T0曲线，额定功率工频运行的情况下与之对应的出口压力为H1，出口流量为Q1，当水泵出口流量从Q1减小至Q2时，水泵出口控制阀门打开度减小使管网阻力线性T0变为T1，系统工作点线性沿方向T0由原来的X点移动至Y点，受其阀门阻力作用压力H1变为H2。根据几何学的观点运算面积差来比较水泵功耗的大小，则水泵由X点移至Y点工作时，电机节省的功耗为XQ10H1和YQ20H2的面积之差。

当采用第二种方式变频调速控制时，假设改变水泵的转速n，当水泵出口流量从Q1减小至Q2时，那么管网阻力性线为同一曲线T0，系统工作点线性将沿方向n0由原来的X点移至Z点。此时水泵电机节省的功耗为XQ10H1和ZQ20H3的面积之差。

所以采用第一种方式阀门开启度控制调节水量方式大于第二种水泵转速控制调节水量节能功耗面积之差，显然使用第二水泵变频调速控制技术有明显节能效果。

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图4 H、Q、n 关系

4 常见运行故障分析

4.1 过流

过流可分为减速、恒速、加速过电流，有可能是变频器的负载发生突变、输出短路、加减速时间太短等因素造成的。

4.2 过载

过载包括电机过载和变频过载，有可能是负载过重、加速时间短、电压低等因素造成的。

4.3 缺相、欠压

电源输入不正确，需检查确认输入的相间电压值是否符合规定要求。

5 结束语

变频调速技术应用在给水系统中，不但消除了不安全隐患因素，并使系统始终处于一种节能状态下运行，延长了设备的使用寿命，因此在给水系统中变频调速技术具有很好的推广价值。

参考文献：

[1]许振.交流电动机变频调速技术的发展[J].微特电机，2005（04）.

[2]赵延红，王勉之，黄毅超，王晶.变频调速技术在二次供水改造应用中的探讨[A].2011全国给水排水技术信息网年会暨技术交流会论文集[C].2011.

[3]张永惠.变频调速技术的发展[J].自动化博览，1999（06）.

作者简介：刘宣（1976-），男，山西兴县人，工程师，建筑电气、给排水、采暖通风空调。