试论恒压供水变频控制系统的组成与实现方法

云宝钢

【摘 要】用水部门之所以使用并重视恒压供水变频控制系统，缘于它的诸多优点。恒压变频控制供水系统先进的工作原理及实施方法，克服了传统供水系统浪费较大、稳定精度较差的缺点，最重要的是它与时俱进，具备喜人的节能效果，与人们所追求的“节能环保”理念不谋而合，并且能够赢得较大的经济效益，因此备受青睐、推崇。

【关键词】恒压供水；变频控制；工作原理；系统组成；实现方法；节能效果

用水部门之所以使用并重视恒压供水变频控制系统，缘于它的诸多优点。恒压变频控制供水系统先进的工作原理及实施方法，克服了传统供水系统浪费较大、稳定精度较差的缺点，最重要的是它与时俱进，具备喜人的节能效果，与人们所追求的“节能环保”理念不谋而合，并且能够赢得较大的经济效益，因此备受青睐、推崇。

1.使用恒压供水变频控制系统是形势所需

传统的供水控制系统中，水泵是连续恒速运行的。流量的控制，是通过调节给水管道中调节阀和回流支路实现的。这两种调节方法都存在明显的缺陷，采用调节阀调节时，由于阀门开度的减小，导致水泵出口压力上升，阀门两侧的压差将增大，当增大到较大时，不但会造成水泵能量的浪费，而且使得水泵的振动和磨损加大，进而寿命缩短；采用回流支路调节时，大量水的回流也同样造成能量的消耗，如果用变频调速控制，将克服上述缺陷，回馈给企业的是良好的经济效益与社会效益。基于此，恒压供水变频调速控制系统受到各用水部门的普遍重视。

2.恒压供水变频控制系统的工作原理

对于一个供水系统，在调速时应考虑两个问题：一是对系统装置和水泵进行实际测试和计算，估算出系统效率和节能潜力；二是根据实际情况确定调速方法。

2.1 水泵的基本参数与特性。

水泵被广泛应用于工业生产供水系统中，它的输出特性决定于水泵类型，并与供水管网系统的阻力特性有关。

离心泵的H—Q曲线如下图（图1）所示：

其特性曲线公式为：

其中，P为泵使用工况点轴功率（KW），Q为使用工况点的水压或流量（m3/S），H为使用工况点的扬程（m），γ为输出介质单位体积重量（kg/m3），η为使用工况点的泵效率（%），水泵在运行时，只有在工况A点时，效率才为最高，偏离這个工况点（如B、C），都将使效率降低，水泵在高效区运行，其耗能也将最省。

根据供水泵系统的实际流量：流量Q2和杨程H2及与之相应的水泵使用效率，可计算出泵所需的比较经济合理的轴功率P0。

整个供水系统所具有的节能潜力为：

W =（P-P0）t ………………………………（3）

其中P为整个系统水泵所消耗的总轴功率（KW），t为水泵的运行时间（小时），供水管网的H-Q曲如图2所示，管网装置特性（H-Q）可从阀门全开时测得，各种数据由下式求得：

H2=KQ22+Hj …………………………………（4）

其中Hj为泵进出口水位的高度差（m），其大小与流量无关，K为管路力系数，Q2为流过管网的流量（m3/s）。

图2中曲线（1）为泵在额定工况和给定速度下运行时的全部扬程、流量点和泵效率点的轨迹，曲线（2）为管网系统阀门全开时阻力特性曲线，即泵要克服水头摩擦，压力随流量的平方而变化。曲线（3）是静压高度，它相当于从叶轮中心高度减去在系统中的自然升高。

管网特性曲线与泵特性曲线的交点为泵的正常使用工况点，从管网特性上求得管网实际所需的性能和泵与管网性能的匹配情况，以此作为水泵节能改造的依据。

2.2 水泵调速运行时的节能原理。

图3中，水泵运行工况点D是泵的特性曲线NN与管路阻曲线R1的交点。

当用阀门控制时，由于要减小流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R1移到R2，扬程则从H0上升到H1，流量从QN减小到Q1运行工况点，从D点移到A点。

当用调速控制时，阻力曲线R1不变，泵的特性取决于转速，如果将速度从NN降到N1，结果运行工况点从D点移到C点，扬程从H0降到H3，流量从减小到QN减小到Q1。

根据公式（1）求出运行时在A点泵的轴功率为：

在C点泵的轴功率为：

将上两式相减，则有：

△P即是用控制时节省的功率Q、H、P之间的关系可是写为：

流量Q与转速N的一次方成正比，扬程H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，那么转速N与频率f是否成正比呢？请看下列公式：

由上列公式不难看出，转速N与频率f成正比，因此可得出，轴功率P与频率f的立方成正比。

3.恒压供水变频控制系统的组成与实现方法

下图（图4）是一种变频控制供水系统的结构图：

系统前向通路由PID和VVVF及M组成，反馈通路是由压力传感器组成。VVVF是日本富士公司生少的FRENIC5000系列，主电路是由6个IGBT构成，是典型的“交—直—交”电压型变频方式，其调节输出电压的脉冲宽度及其频率由SPWM的方式来完成。

VVVF的内部有非常好的保护功能，在控制电路中，可设计对电压、电流、流量、压力、频率等参数的监控，压力传感器的取样点可尽量靠近泵的出水口，PID参数设定时先将D设为0，再调PI两参数，以达到最佳匹配，设定值的大小决定了供水流量的大小。

4.恒压供水变频控制系统运行使用效果：节能效果好，故障率低，优点颇多

通过对恒压供水变频控制系统多年的运行观察，发现此系统优点颇多：动态响应好，调速精度高，调速范围宽，输出特性稳定，故障率低。现以数据来说明其节能率，下面表格中的数据是年均值。

从上述表格数据可看出，频率有所下降，转速也下降，其节能如下所示：

以上数据显示：恒压供水变频控制系统的节能效果非常明显！