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(dòng)機(jī)耗電電費(fèi)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(huì)減少水泵電動(dòng)機(jī)耗電量。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)證實(shí),水泵電動(dòng)機(jī)電費(fèi)達(dá)到了95%的總電費(fèi)量。實(shí)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(fèi)。而通過對水泵變頻調(diào)速,能夠讓水泵更為高效的運(yùn)行,節(jié)約電動(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)的電源頻率值進(jìn)行改變,便可以對電動(dòng)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?yàn)橥ㄓ萌嗟漠惒诫妱?dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),如果運(yùn)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(yùn)行的轉(zhuǎn)矩也會(huì)降低,適合變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)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(yùn)行效率、機(jī)泵選型、管道設(shè)計(jì)相關(guān)。因?yàn)樗?、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(huì)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(dòng)電動(dòng)機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速和軟啟動(dòng),便于加減速控制,讓電動(dòng)機(jī)更具高性能。
恒速電動(dòng)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(shí),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(huì)同時(shí)改變泵性能曲線,轉(zhuǎn)速會(huì)因?yàn)轭l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(yáng)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(huì)減少20%,水泵電耗會(huì)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(huì)降低水泵流量和軸功率。因?yàn)椴扇∽兯僬{(diào)節(jié),調(diào)節(jié)閥門時(shí)的閥門壓頭損耗由此避免。水泵變頻速度會(huì)一直在高效區(qū)。電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí),因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電壓變化,電動(dòng)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(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)好水泵系統(tǒng)運(yùn)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(shí)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(yùn)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(dòng)機(jī)可變頻率電源,無極調(diào)速電動(dòng)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(jì)算,給變頻器某個(gè)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(jì)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(jià)格,會(huì)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(yùn)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(shí)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(huì)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(huì)下降,降低對軸承發(fā)熱和磨損的影響,會(huì)延長水泵使用壽命。變頻調(diào)速技術(shù)使得水泵啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)變成變頻軟啟動(dòng),減緩了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的高電流沖擊。因?yàn)槿_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(huì)效益。變頻調(diào)速技術(shù)還能控制偏差范圍。變頻器能自動(dòng)調(diào)節(jié)減速和加速,可減少偏差,提升系統(tǒng)工作效率。因?yàn)樽詣?dòng)控制比人為控制的效率更高,也減少了人為控制的人工費(fèi)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(shí)際應(yīng)用中證實(shí),自來水供水應(yīng)用水泵變頻調(diào)速,產(chǎn)生的社會(huì)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(shí)還有一些弊端和不足。工作人員實(shí)際工作要不斷積累經(jīng)驗(yàn),合理解決技術(shù)難點(diǎn),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(huì)生活、生產(chǎn)效率。