基于变频器的恒压供水系统研究

摘 要 在分析了水泵电机变频节能控制原理后，对基于变频器的恒压供水系统总体设计方案进行了认真探讨。最后，对某工厂2台60kW水泵电机供水系统进行变频恒压调速技术升级改造后所取得的节能经济效益进行了详细分析研究。

关键词 变频器；恒压供水系统；变频调速 中图分类号 TM 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)101-0153-01

随着电力电子技术、过程控制技术等发展的不断完善，变频器的功能也变得越来越强大，可以充分利用变频器的内置PID调节单元完成对控制信号调节，不需额外配置PID调节器等辅助单元，大大简化了系统接线结构，提高系统运行可靠性；同时无需外配专门的PID调节器以及其它外围电路，从而降低了基于变频器的变频调速控制系统的综合投资成本，具有较高的技术经济性。在供水系统中，由于用户用水量的时变特性，传统的继电器直接控制供水系统缺乏根据需水负荷动态调节功能，从而造成大量的水资源和电能浪费，同时水泵电机长期处于额定运行工况，从而降低了整个电机拖动系统的综合使用寿命。采用基于变频器的恒压供水系统

可以根据用户需水量的变化动态调节电机转速，使整个供水系统长期处于输入输出平衡运行工况，能够起到很好的节能降耗效果。

1 水泵电机变频节能控制原理

实现供水系统中水泵电机拖动系统在运行过程中具有较高的电能转换效率，保持其动态稳定经济调节性能，实际就是通过相应的技术手段保持水泵电机拖动系统在供水全过程中输入与输出间保持平衡。恒压供水系统的变频调速控制，实际上就是通过控制水泵电机的转速，通过，使其根据用户需水量动态调节优化水泵电机运行曲线，保持整个电机拖动系统长期运行在最优节能工况中。恒压供水系统中变频调速水泵电机动态节能调节控制优化工况曲线，如图1所示。 恒压供水系统中水泵电机的节能优化动态调节，实际上就是通过变频器内部PID等转换单元将供水管网中的压力波动信号偏差转换成对应电机转速控制频率信号，直接作用在电机输入电源中控制电机的转速，使供水系统中输入与输出间达到动态平衡。从工程实践中可知，恒压供水系统的调节主要包括阀门调节和变频调速控制两种变流量调节方式。从图1可知，当供水管网中用水负荷减少时，用阀门进行调节时，就会关小调风阀门的开度θ，实现供水系统中供水量从QB减少到QA，对应水泵电机的运行工况曲线则会由R1变化到R2特性工况曲线上，实现了由原B工况点向A工况点

得平滑过渡调节。但阀门调节中水泵电机的转速始终保持额定转速，从而造成大量电能资源浪费。基于变频器的恒压供水系统除了能够实现阀门变流量平滑调节功能外，还可以使水泵电机转速由n0降低到n1工况曲线上，即将水泵电机运行工况点由B点平滑转移到C点实现平滑节能降耗平衡调节。根据面积估算法表明，水泵电机采用恒压变频动态调节控制模式后，其比传统采用阀门变流量调节的恒压供水系统电机运行功率要小很多（即图1中SOECF为了提高基于变频器的恒压供水系统调节运行稳定可靠性，文中除了采用内置PID调节器的变频器作为水压信号运算分析核心单元外，还采用PLC（或单片机）控制器、低通滤波器、5V（12V）直流稳压电源，其逻辑组成总体设计方案，如图2所示。

从图2可知，当整个供水系统处于运行状态时，安装在水泵出水总管上的压力传感器就会自动采集管网中用户的用水压力信号，即供水主干管网中的需水压力信号变成0-5V的模拟信号，然后送给PLC（或单片机）为核心的控制器，经过控制器中模数A/D转换电路转换成变频器控制系统所需的数字信号，然后经低通滤波器处理后，进入到变频器的

内置PID调节器中，与系统设定的水压信号进行比差分析运算后，形成对应的水压偏差信号，并转换成对应的频率信号直接作用在水泵电机供电电源上，控制电机转速，实现水泵电机输入与输出间动态平衡节能调节。

变频器作为整个恒压供水调节控制系统的核心，其输入端可以直接380V，50Hz的市电交流电源，供电电源十分方便，同时其输出端可以直接与水泵电机电源端相连，逻辑接线十分清晰简单。变频器的输出端电压可以根据供水系统用户负荷波动情况自动调节，实现输出电压0-380V，频率在0-50Hz范围内的动态调节变化，实现水泵电机拖动系统的输入与输出间的动态平衡。水泵电机的供电电源直接取自变频器的输出交流电源，其转速直接由变频器内部PID调节器等控制单元自动转换，即当供水系统中用水量增加时，变频器的输出电压频率就会自动增大，从而控制水泵电机转速增加；相反，当供水系统中用水负荷减少时，水泵电机电源频率就会随之减小，转速相应降低。相比阀门静态变流量恒压调节模式，变频器恒压变频调速控制系统中，水泵电机的输入电源电压频率会随用水负荷的降低而动态减小，从而使电机运行电压和电流相应减小，相应其运行能耗也会大大减少，从而达到节能降耗的目的，起到很到的节能效果。另外，基于变频器的恒压供水系统中，水泵电机可以在变频器调节下实现降压软启动，即在电机起动过程中，其工作电流是缓

慢平滑上升的，不会产生较大的起动冲击电流，可以省去电机起动相关补偿设备，从而大大提高了电机综合使用寿命和系统运行经济可靠性。

3 基于变频器的恒压供水系统技术升级改造应用节能效益分析

某工厂供水系统主要包括2台60kw水泵，由于供水系统原有设计采用阀门的变流量恒压控制系统，其在运行过程中水泵电机长期处于额定运行工况，同时由于工厂需水量的不定时性，造成大量的电能资源浪费。据整个供水系统2年的运行数据来看，这个水泵电机的能源转换 （下转第102页） （上接第153页）

效率只有27%，也就是由于采用阀门的变流量恒压供水控制方式，造成了大约60%的电能资源浪费在阀门变流量调节过程中。于是结合供水系统的实际情况，采用一台75kw的变频器并联拖动两台水泵电机，按照变频-工频交替运行方式实现供水系统的恒压变频节能调节，即：当系统需水量处于0-50%供水管网设计总流量时，采取单台水泵变频调速运行，另外一台水泵停运备用的运行方式；当供水系统处于50%-80%供水管网设计总流量时，其中一台水泵电机采取工频运行方式，另一台采取变频调速运行方式；当供水系统处于80%-100%供水管网设计总流量时，两台电机均采用工频

运行方式。 4 结束语

在对该工厂供水系统采取基于变频器的恒压供水变频调速技术升级节能改造后，其水泵电机的平均月电能转换效率由改造前的27%有效提升到73%，其节电率高达46%。如果整个变频调速装置按照15万元计算，则整个工程供水系统进行变频节能技术升级改造后，在大概1年半的实践内就能完全收回成本，故采用变频调速节能技术对原阀门静态调节的恒压供水系统进行技术升级改造，其所取得的节能经济效益十分 可观。

参考文献

[1]刘名军.变频恒压供水简易控制系统的应用[J].电机与控制应用,2006,33(6):56-58.

[2]赵祥卿,张桂芳.软切换技术在变频与工频切换中的应用[J].兰州石化职业技术学院学报,2008,8(3):26-28． 作者简介

吴楠（1981―），男，宁夏中卫人，硕士，职称：助教，主要研究方向：传感检测及自动控制。