自來水供水中水泵變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用分析
在負(fù)責(zé)供水的水廠中，水泵電動機(jī)耗電電費是最大生產(chǎn)成本。故此，自來水公司為提高經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益，必然會減少水泵電動機(jī)耗電量。經(jīng)過統(tǒng)計證實，水泵電動機(jī)電費達(dá)到了95%的總電費量。實際生活中，許多水廠的水泵工作效率較低，多在60%以下，存在嚴(yán)重的能源浪費。而通過對水泵變頻調(diào)速，能夠讓水泵更為高效的運行，節(jié)約電動機(jī)耗電量，提升水廠經(jīng)濟(jì)效益。
1.變頻調(diào)速技術(shù)概述
1.1 工作原理
事實上，變頻調(diào)速技術(shù)的原理是，工作電源的輸入頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的正比例關(guān)系。其公式為：n=60f（1―s）/p。該式中，n是轉(zhuǎn)速、f是輸入頻率、s是電機(jī)轉(zhuǎn)差率、p是電機(jī)磁極對數(shù)。將供給電動機(jī)的電源頻率值進(jìn)行改變，便可以對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變。
1.2 應(yīng)用原理
變頻器把交流順變直流，在平滑濾波之后再逆變回路，讓直流變?yōu)椴煌l率交流電。這樣，電機(jī)就獲得了無極調(diào)速的頻率、電壓、電流。以流體力學(xué)基本定理得知，風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備均是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速和流量為正比，轉(zhuǎn)速平方和壓力為正比，轉(zhuǎn)速立方和功率為正比。變頻器往下調(diào)速，具有恒轉(zhuǎn)矩特性。但因為通用三相的異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)，如果運行頻率比50Hz還要低。便很難達(dá)到額定的輸出轉(zhuǎn)矩。但是風(fēng)機(jī)泵負(fù)載低速運行的轉(zhuǎn)矩也會降低，適合變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)低速運行時的輸出轉(zhuǎn)矩下降。
2.變頻調(diào)速節(jié)能損耗作用
變頻調(diào)速節(jié)能損耗作用和泵電機(jī)運行效率、機(jī)泵選型、管道設(shè)計相關(guān)。因為水泵、風(fēng)機(jī)是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)速和軸功率為立方關(guān)系，故此當(dāng)水泵、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，其消耗功率也會有很大幅度的下降。變頻調(diào)速節(jié)能潛力較大。通過利用變頻器帶動電動機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速和軟啟動，便于加減速控制，讓電動機(jī)更具高性能。
恒速電動機(jī)以閥門去調(diào)節(jié)供水量，改變了管組特性，許多能量消耗在閥門上面。在變頻調(diào)速時，閥門是完全打開的，管組特性沒有發(fā)生改變。泵轉(zhuǎn)速改變之后，也會同時改變泵性能曲線，轉(zhuǎn)速會因為頻率改變而發(fā)生改變。分析循環(huán)水泵的性能得知，水泵流量、揚程、軸功率和水泵葉輪轉(zhuǎn)速有著比例關(guān)系。水泵轉(zhuǎn)速和流量為正比，水泵轉(zhuǎn)速平方和壓力為正比，水泵轉(zhuǎn)速立方和功率為正比。只要水泵流量減少了20%，電機(jī)轉(zhuǎn)速會減少20%，水泵電耗會減少50%；水泵流量減少50%，電機(jī)轉(zhuǎn)速減少50%，水泵電耗減少87.5%。只要系統(tǒng)要求的流量降低，通過降低轉(zhuǎn)速，會降低水泵流量和軸功率。因為采取變速調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥門時的閥門壓頭損耗由此避免。水泵變頻速度會一直在高效區(qū)。電動機(jī)變頻調(diào)速時，因為電動機(jī)電壓變化，電動機(jī)輕載也能處在高效區(qū)。
3.變頻恒壓供水
恒壓供水調(diào)速實現(xiàn)了水泵電機(jī)的無極調(diào)速，觀察供水管網(wǎng)壓力變化，自動調(diào)節(jié)好水泵系統(tǒng)運行參數(shù)。當(dāng)用水量出現(xiàn)變化，要保證恒定水壓滿足用水要求。
3.1 控制系統(tǒng)的工作原理
恒壓供水核心是變頻調(diào)速控制。水泵電機(jī)為輸出環(huán)節(jié)，變頻器控制轉(zhuǎn)速情況，實現(xiàn)交流量的恒壓控制。水泵速度由變頻器的接收控制器信號控制。當(dāng)控制器給出信號后，由PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)送給變頻器輸出的運轉(zhuǎn)頻率指令。管網(wǎng)出水口的壓力由壓力傳感器進(jìn)行檢測，并變?yōu)榭刂破鹘邮漳M信號做好調(diào)節(jié)。
3.2 帶PID回路調(diào)節(jié)器與PLC控制方式
PLC控制方式中，變頻器是提供給電動機(jī)可變頻率電源，無極調(diào)速電動機(jī)，讓管網(wǎng)水壓能夠控制。傳感器負(fù)責(zé)檢測管網(wǎng)水壓，而壓力設(shè)定單元提供給系統(tǒng)用戶需要水壓期望值。等到壓力反饋信號與壓力設(shè)定信號輸進(jìn)編程控制器內(nèi)，通過可編程控制器的PID控制程序計算，給變頻器某個頻率控制的信號。當(dāng)然，還有一種是把壓力反饋信號與設(shè)定信號輸?shù)絇ID回路調(diào)節(jié)器內(nèi)，經(jīng)過計算輸給頻率控制信號。
變頻器頻率控制信號是PID回路調(diào)節(jié)器和編程控制器提供的，可編程控制器要有模擬量的輸入和輸出接口。但是這種可編程控制器有著很高的價格，會增加供水設(shè)備成本。如果可編程控制器采取的是數(shù)字量輸出和模擬量輸入型，要在數(shù)字量輸出部位接上PWM調(diào)制版，將信號變成模擬量。這樣的做法并沒有降低可編程控制器成本，反而增加了附加設(shè)備和連線。倘若采取帶開關(guān)量可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器，成本效益也與之相仿。
3.3 研究新型的變頻調(diào)速設(shè)備
新型變頻調(diào)速設(shè)備把簡易的可編程控制器和PID調(diào)節(jié)器功能都?xì)w入變頻器內(nèi)，構(gòu)成了多應(yīng)用新型變頻器。由于PID運算處于變頻器中，省下了PID算法編程和可編程控制器的存儲容量。更由于在線調(diào)試PID參數(shù)較為容易，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。在PID調(diào)節(jié)器內(nèi)采取優(yōu)化算法，讓水壓調(diào)節(jié)更為穩(wěn)定和平滑。為了確保水壓反饋信息準(zhǔn)確，還可對信號設(shè)置一些濾波時間常數(shù)，通過換算反饋信號，方便系統(tǒng)的調(diào)試。
4.水泵變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用效果
應(yīng)用水泵變頻調(diào)速技術(shù)之后，水泵轉(zhuǎn)速下降會降低水泵功耗，其節(jié)約用電效果較為顯著。低負(fù)荷情況下，水泵轉(zhuǎn)速會下降，降低對軸承發(fā)熱和磨損的影響，會延長水泵使用壽命。變頻調(diào)速技術(shù)使得水泵啟動模式轉(zhuǎn)變成變頻軟啟動，減緩了電動機(jī)啟動的高電流沖擊。因為全開水泵出口閥，消除了閥門部位噪音，使得工作環(huán)境有所改善，避免調(diào)節(jié)閥故障過程中的影響，取得了良好社會效益。變頻調(diào)速技術(shù)還能控制偏差范圍。變頻器能自動調(diào)節(jié)減速和加速，可減少偏差，提升系統(tǒng)工作效率。因為自動控制比人為控制的效率更高，也減少了人為控制的人工費用和工作失誤。
結(jié)束語
水泵變頻調(diào)速技術(shù)在自來水供水過程中發(fā)揮較大效用，能夠節(jié)水節(jié)電、降低損耗、提高產(chǎn)量質(zhì)量。實際應(yīng)用中證實，自來水供水應(yīng)用水泵變頻調(diào)速，產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯而易見。但變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用時還有一些弊端和不足。工作人員實際工作要不斷積累經(jīng)驗，合理解決技術(shù)難點，確保變頻調(diào)速技術(shù)的有效利用。我們還應(yīng)擴(kuò)大變頻調(diào)速技術(shù)的推廣范圍，提升社會生活、生產(chǎn)效率。
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