变频器在供水系统中的应用

摘要：本文分析了供水处理过程中，将变频器应用于水泵的节能原理，提出了采用深圳日业电气有限公司生产的SY3200变频器作为水泵变频器件的设计方案，采用SY3200变频器后，供水系统运行稳定。
    根据贵厂实际情况，工厂用水是由一台水泵将外源水抽至工厂储水池，再由另外一台水泵根据工厂实际用水量的大小来将水供给工厂使用。
    在一般情况下，水泵采用恒速交流电动机拖动，而用水量却是变化的，为了保证水池的正常供水，工人要在现场经常调节挡板或阀门开度大小来控制水泵的抽水量，或者将水池中用不完的水白白流掉。这样做不仅增大了工人的劳动强度，而且有大量的电能浪费在水泵阀门阻力的损失上。因此就要求水泵处于变工况运行，若利用变频器进行调速，以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门，则不仅可以减轻工人劳动强度，还能达到节约电能目的，对提高企业经济效益有重要意义。
水泵变频器控制节能原理
1、水泵特性分析
根据离心泵特性曲线的有关公式：
          P=K1Qh   (1)
          Q=K2n    (2)
          H=K3n2   (3)
由（1）、（2）、（3）式得：
          P=k4n3    (4)   
          P/Q=K5n2  (5)
式中：K1，K2，K3，K4，K5为常数：
        P为泵机轴功率；
Q为泵机流量；
H为泵机扬程；
n为泵机转速。
（1）式中说明在相同的轴功率下，若通过出口阀门调节泵机流量，将引起泵机扬程的相应改变，流量越小，扬程变得越大，但实际抽水时，由于扬程是基本不变的，由此就产生了更多的富余扬程。
（4）式说明泵机轴功率与转速的立方成正比，若设法降低转速，就可以减小泵机轴功率，再由（1）可知，就可实现流量或扬程的自由调节。
（5）式说明单位时间内，排放每m3 水能耗（即功耗）与转速立方成正比，这说明在达到实际供水流量前提下，转速越小，功耗越小。
2、电机特性分析
   根据交流电动机的工作原理：
          n=60\p.f(I-s)  （6）
式中：f为电机的电源频率；
      p为电机的磁极对数；
      S为转差率。
由于电机的S和P为常数，所以（6）式可知电机的转速与电源频率有固定的正比例关系。
3、节能原理
    由电机特性分析可知，均匀改变电机供电频率F，就可以平滑地改变电动机的转速，从而改变泵机的转速；结合泵机特性分析，降低电动机转速，电动机输入功率也随之减少，泵机轴功率就相应减少。这就是变频器控制水泵的节能原理。
    另外，水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，水泵采用变频器调速以后，可以根据工艺的需要，实现泵机的软启和软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在用水量不大的情况下，可以降低泵机的转速，这样不仅避免了水泵长期工作在满负荷状态，造成的电机过早的老化，而且变频器的软启动大大减小泵机启动时对机械的冲击，也具有节能的作用，其节电率一般在15%-40%左右。

水泵变频控制设计
    变频器选用深圳日业电气有限公司开发生产的日业牌SY3200变频器作为就频调速系统的执行单元。日业SY3200系列变频器是高性能空间电压矢量控制通用变频器。
它具有如下特点：
?日立32位电机控制专用微处理器，高精度频率输出。
?新颖的功率累计功能，观察节能效果更直观方便。
?独特时间累计功能，可以显示单次通电运行时间，累计运行时间。
?内置RS-485接口，可计算机联网控制。多信号输入，内置简易PLC，自动化控制更方便。
?参数交互功能，设定方便。
?载波频率可调，静音运行。
?控制方式多样化，通用性强。
?内置PID调节功能，闭环控制简单。
?低速额定转矩输出，运行稳定。
?键盘操作方便，可在运行时在线调整和设定有关参数
?内置刹车单元，快速停车。
?风扇的运行状态可以控制，调度和运行更简易方便。
?多样的变频器运行状态参数显示，对控制信号和负载有关情况一目了然。
     系统被控对象为1台30KW水泵电机，保留电机的原工频启动单元，另加变频控制，两者通过机械电气联锁，既保证了泵机的正常运转，又便于系统的维修，液位测量变送器用于测量水池液位，并将液位信号变换成4~20mA标准电信号，供给SY3200变频器。图一所示为SY3200变频器控制泵面的结构框图。


图一：SY320变频器控制泵机结构框图
    当工厂用水量增大时，水池水位则相应的下降，液后测量变送器将液位下降以电信号的形式传送给SY3200水池供水变频器，使SY3200变频器输出频率相应地增大，水泵电机转速上升，供水量也相应地加大，从而保持了水池液位的相对稳定。反之，则变频器输出频率降低，以保持水池水位不再上升。
4、结束语
    水泵在使用了SY3200变频器控制以后，不但免去了许多繁琐的人工操作，降低了不安全隐患因素，并且使系统始终处于节能状态运行，延长了设备的使用寿命，减小了维修工作量和维修频率，还可以实现电机的软启动，使起动电压降低，减小对电网的大电流冲击，更好地适应了生产需要。而且日业电气有限公司的SY3200变频器具有丰富的内部控制功能，可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制。因此，在供水处理过程中使用变频器具有很好的应用价值和推广价值。
参考文献
①变频器世界2005（4）
②通用变频器及其应用，北京机械工业出版社1996。


说明，改造方案须用工频，变频双回路控制，变频改造并不改变水泵原有的控制原理，原水泵系统保护装置依然有效，并且工频/变频切换采用了电气，机械双重联锁，大大提高了系统的安全，可靠性。