变频调速供水技术在自来水加压供水中的节能性应用

 

1、变频调速供水基本工作原理

　　通过改变供给电动机电源的频率值达到改变电动机转速的目的，被我们称之为变频调速。

 

2、变频调速供水技术的应用

　　变频器是将交流顺变成直流，平滑滤波后再经过逆变回路，将直流变成不同频率的交流电，使电机获得无级调速所需的电流、电压和频率。

　　通过流体力学的基本定律可知：泵类设备、风机都属于平方转矩负载，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比。我们知道，在变频器向下调速时，属于恒转矩特性。但是由于通用三相异步电动机的结构特点，在其运行频率低于50Hz以下日寸，其额定输出转矩很难达到。而风机泵类负载在低速运行时所要求的转矩也相应降低，这正好适应了采用变频器驱动三相异步电动机在低速运行时输出转矩下降的特点。

 

3、变频调速供水的节能降耗作用

　　由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能的潜力非常大，利用变频器拖动电动机，启动电流小，可以实现软启动和无极调速，方便地进行加减速控制，使电动机获得高性能，大幅度的节约电能，因而变频器在工业生产和生活中得到了越来越广泛的应用。

　　由于恒速电动机利用阀门调节供水量，扬程特性不变，管组特性改变，大量的能量损失在阀门上。

　　变频调速供水时的阀门为完全打开状态，管组特性不变，扬程特性随电机转速的变化而变化，当泵的转速改变后泵的性能曲线将同时改变，而转速将随频率Hz改变而改变。对循环水泵性能分析可知，水泵的扬程、流量和轴功率均与水泵的叶轮转速之间存在着一定的比例关系，即水泵流量与水泵转速的一次方成正比。水泵的扬程与电机转速的二次方成正比，电机转速与水泵的轴功率的三次方成正比。即当水泵的流量降低20%的时候，电机的转速应降低20%，水泵的电耗将降低50%；当水泵的流量降低50%的时候，电机的转速注降低50%，水泵的电耗降低87.5%。当系统需要的流量降低时，通过降低转速，相应地水泵的流量降低，水泵的轴功率降低，节约电能效果显着。并且由于采用变速调节，采用阀门调节时不必要的阀门压头损耗也避免孔使水泵在变频速度的过程中始终处在高效区。而电动机在变频调速过程中，由于电动机电压随着转速而变化，确保了电动机在轻载时也能工作在高效区。

 

4、变频恒压供水技术

　　恒压供水调速系统实现水泵电机无极调速，依据用水量的变化（实际为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。

 

　　4.1 变频恒压控制系统的工作原理

　　水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现交流量恒压控制，变频器接收控制器的信号对水泵进行速度控制；控制器综合给定信号后，经过PID调节，向变频器输出运转频率指令；压力传感器检测管网出水口压力，并将其转变为控制器可接收的模拟信号进行调节。

 

　　4.2 带PID回路调节器和PLc的控制方式

　　在该方式中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无极调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输人可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输送给变频器一个频率控制信号。还有一种方法是将压力设定信号和压力反馈信号输人PID回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个频率控制信号。

　　由于变频器的频率控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输人接口，又要有模拟量输出接口。而带模拟量输人/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输人/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出端口另接一块PWM调制版，将可编程控制器输出数字量信号转变为模拟量。这样可编程控制器的成本没有降低，还增加连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个带开关量输人/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输人/输出的可编程控制器差不多，所以在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

 

　　4.3 新型变频器调速供水设备

　　新的变频器调速供水设备将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。因为PID运算在变频器内，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，生产成本降低二生产效率大大提高孔又因为变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号的不失真、准确，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可进行换算反馈信号，使系统的调试非常方便、简单。

 

　　4.4 供水专用变频器

　　供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供水、管控一体化的系统，内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便的组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送人变频器自带的PID调节器输人口，而压力设定即可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送人。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要，也可设定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值（Mpa）。

　　因此，变频恒压供水相关产品正向着全数字化微机控制、高可靠性、多品种系列化的方向发展。系列化、追求高度智能化、标准化是未来供水设备适应城镇建设中成片开发网络供水调度、智能楼宇和整体规划要求的必然趋势。调速恒压技术在短短的几年内经历了一个逐步完善的发展过程，多泵系统代替了早期的单泵调速恒压。单泵产品系统设计简单可靠，但单泵电动机深度调速造成电动机、水泵运行效率低，而多泵型产品的运行效率高，投资更为节省，已发展成为主要产品。

 

5、效果

　　（1）给水泵采用变频调速技术后，随着给水泵转速的下降，功耗也随之降低，节电效果显着。

　　（2）在低负荷时，泵的转速和出力随之下降，从而减少了轴承磨损、发热，延长了给水泵的使用寿命。

　　（3）给水泵的启动方式为变频软启动，有效地减少了电动机启动时大电流的冲击，延长了电机的使用寿命。

　　（4）供水压力稳定，变频系统能根据汽包水位的变化，调节给水泵的出水量，以保证母管水压稳定。

　　（5）设备的自动化程度提高，减轻了操作人员的劳动强度。

 

6、结语

　　采用交流电机变频调速等高新技术是生产自动化的重要手段，是高供水质量的根本，变频调速供水技术的大力推六可以让给水企业尽快优化升级，降低生产成本提供技术手段。