变频调速恒压供水系统节能分析论文

变频调速恒压供水系统节能分析
摘要：文章介绍了变频恒压供水自动控制装置基本构成及工作原理，分析了变频调速的基本原理，水泵变频调速的节能运行原理，水泵工艺特点对调速范围的影响，定速泵对调速范围的影响，通过对改造前后的运行比较，阐述了节能效果、提高了企业一定的经济效益。

关键词：变频调速；恒压供水；节能
引言
随着社会进步与发展，高层建筑的供水问题日益突出，人们对供水质量的稳定性提出更高要求。

于是新的供水方式和控制系统应运而生，这就是基于plc控制的变频恒压调速供水系统。

变频调速是一项有效的节能降耗技术，它是通过改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的，比以往靠调节水阀门来控制水流量的方法节能降耗得多，并且可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性，减少用水高峰期供水压力不足，低峰期供水能源浪费。

这对节约能源和提高供水企业的经济效益均具有及其重要的意义。

一、变频恒压供水自动控制装置
1、基本构成
恒压供水系统由变频自动控制装置与水泵组合而成（如图）。

该装置由变频器（内含pid调节器）、可编程控制器（plc）、压力传感器及相关电气控制部件构成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备（见图），它可同时对两台三相
380v，50hz的水泵电机进行自动控制。

2、工作原理
恒压变频自动控制装置以变频方式工作时，水泵电机以软启动方式启动后开始运转，由安装在水泵出水总管上的远传压力表检测管网压力，并将压力转换成模拟电压信号送入可编程序控制器（plc），电压信号在plc中经模数转换，并与设定压力作比较后输出控制信号，控制变频器输出的变频电源调节水泵转速，使出水管网压力不断向设定压力趋近。

通过不断检测、比较与调整的闭环控制过程使管网压力达到恒定，使水泵转速根据水压传感器自动调节，达到节能节水的目的。

变频恒压供水系统构成图：
plc的主要控制作用：
根据我公司所管辖小区环碧花园为例。

该小区采用二次供水系统，其中主要部件（plc）控制器通过远传压力表所送来的压力信号与所设压力相比较，输出偏差信号给变频器，自动控制1号水泵变频启动，当此时实际管网压力比所设定压力低，则plc输出信号控制水泵加速运行；如此时管网实际压力比所设定压力高，则plc 输出信号控制水泵减速运行。

当水泵达到额定转速时，管网压力仍低于设定压力， plc则把该水泵切换成工频运行，并变频启动第二台水泵，和对其进行变频运行调节，直到管网压力与所设压力恒定；反之，如用水量减少，管网压力高于设定压力，且变频器工作在所设定最低频率下，plc停止工频状态下的水泵，变频器仍对变频状
态下的水泵进行调节，直至管网压力与所设压力恒定。

二、变频调速的基本原理
交流异步电动机的转子转速n可以用下式表示：
n=60f/p(1-s)
式中： f为定子供电电源频率；
p为电动机的极对数；
s为异步电动机的转差率。

由此可知电动机的转速随电动机供电频率的改变而改变。

三、水泵变频调速的节能运行原理
水泵是典型的变转矩负载。

变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。

水泵的电动机的轴功率p与其流量q、扬程h之间的关系式是：
p ∝ q × h
根据流体力学观点：
q ∝ n ；h ∝ n2 ；p ∝ n3 ；
若转速下降10%，则功率下降到72.9%；若转速下降20%，则功率下降到51.2%；
即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。

虽然降低转速能降低轴功率，但变频调速不可能无限制调速，一般认为，变频调速不宜低于额定转速50%，最好处于75%~100%，并应结合实际经计算确定。

四、水泵工艺特点对调速范围的影响
理论上，水泵调速高效区为通过工频高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域
a1oa2(见图1)。

实际上，当水泵转速过小的时候，泵的效率将急剧下降，受此影响，水泵调速高效区萎缩为da1a2（显然，若运行工况点已超出该区域，则不宜采用调速来节能了）。

五、定速泵对调速范围的影响
实践中，供水系统往往是多台水泵并联供水。

由于投资昂贵，不可能将所有水泵全部调速，所以一般采用调速泵、定速泵混合供水。

在这样的系统中，应注意确保调速泵与定速泵都能在高效段运行，并实现系统最优。

六、节能效果
我司所辖管住宅小区环碧花园在供水系统改造前，小区供水一直靠阀门调节控制，水泵平均功耗15kw；自从恒压变频供水系统投入使用后，则水泵平均功耗下降至10.8kw，平均节电4.2kw，变频器的运行频率平均保持在36hz~43hz左右。

根据改造前后两年计量仪表所测算用电结果，改造前每月平均用电量在6000kwh，改造后每月平均用电量4320kwh，平均节电1680kwh，按电费0.80元/ kwh 计算，则每年总共可节约1.61万元电费；节电率达到 28%。

七、结束语
随着现代科学的不断进步与发展，变频调速技术越来越被人们所广泛应用。

变频调速恒压供水系统以其启停平稳、对电网无影响，且对水管网无冲击（水锤产生）；控制功能操作方便，水压控制精
度高，反应速度快，自动化控制程度高；采用全自动闭环供水控制功能，供水压力稳定、性能可靠；故障显示及报警保护功能齐全，节能效果显著等优点，将成为供水系统发展主要方向，具有较大的应用前景。

参考文献：
[1]张燕宾，《spwm变频调速应用技术》。

机械工业出版社。

2005. 5
[2]吕汀，《变频技术原理与应用》。

机械工业出版社。

2007. 07
注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。