变频器在水泵行业的应用
发布日期：2014-01-22 10:14 浏览次数：
一、 概述
交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。由于我国的电子技术飞速发展，也带动了康卓变频器在性能上有了一个较大提高，康卓kz100系列变频器可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在小区供水系统中加压泵通常是用较不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。我公司生产的变频器在水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平确保系统安全、稳定、长周期运行。即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如，南京康卓环境科技有限公司所接触到的某些用户在生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，康卓工程师仍为在某些水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
近几年，随着我公司变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，较终达到高效率的运行目的。
二、恒压供水的变频应用方式
1、变频恒压供水系统组成
我公司的变频恒压供水系统通常是由水源、离心泵（主泵 休眠泵）、压力传感器、pid调节器、变频器（主泵 休眠泵）、管网组成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20ma或0-10v）反馈pid调节器，pid调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。
2、变频恒压供水系统的参数选取
（1）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网较不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。选择管网较不利点的较小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与pid调节器设定压力相匹配，可以达到较大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。
（2）、康卓变频器在投入运行后的调试是保证系统达到较佳运行状态的必要手段。康卓变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。
为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到较佳运行状态。所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许较短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。
通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频跳速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过pid运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，较终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，下面讲到的原理都是一变频器拖多马达的系统。
三、控制原理
1、交流电机变频调速原理
交流电机转速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 为电机转速，f为交流电频率，s 为转差率，p为极对数。
电机选定之后s 、p则为定值，电机转速n和交流电频率f 成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。
2、根据离心泵的负载工作原理可知：
流量与转速成正比：ｑ∝ｎ
转矩与转速的平方成正比：ｔ∝ｎ２
功率与转速的三次方成正比：ｐ∝ｎ３
而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：
ｐ变＝ｎ３ｐ额＝ｑ３ｐ额
采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：ｐ阀＝（０.４ ０.６ｑ）ｐ额
其中，ｐ为功率
ｎ为转速
ｑ为流量
例如设定当前流量为水泵额定流量的６０％，则采用变频调速时ｐ变＝ｑ３ｐ额＝０.２１６ｐ额，而采用阀门控制时ｐ阀＝（０.４ ０.６ｑ）ｐ额＝０.７６ｐ额，节电＝（ｐ阀-ｐ变）／ｐ阀*１００％＝７１.６％。
流量% 100 90 80 70 60 50
节电率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1
由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。
而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。
根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和pid相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用pid来保持静态精度。这通过plc加智能仪表可时现该算法，同时对plc的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用pid调节器进行控制，而采用plc参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
四、控制原理
康卓工程师认为用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。其优点是：
1、 起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；
2、 由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；
3、 可以消除起动和停机时的水锤效应；
一般情况下，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。
虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。
在主要功能预置方面，较高频率应以电动机的额定频率为变频器的较高工作频率。升、降速时间在采用pid调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由pid调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有pid调节功能时，只要在预置时设定pid功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。
五、恒压供水系统特点
1、 节电：变频恒压供水系统的较显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。优化的节能控制软件，使水泵实现较大限度地节能运行；
2、 卫生节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
3、 运行可靠：变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。
4、 控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。
5、 自我保护功能完善：新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。
6、延长设备寿命、保护电网稳定
使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。
7、占地少、投资回收期短
新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。
六、系统应用范围
1、 自来水厂、加压泵房
2、 居民生活区、宾馆及其它建筑
3、 企业生产用水
4、 锅炉循环水系统
5、 农田灌溉系统
