變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)中的節(jié)能實(shí)用方案
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變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)中的節(jié)能實(shí)用方案
一．變頻供水改造系統(tǒng)概述
由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，水泵的揚(yáng)程與水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚(yáng)程的乘積，故水泵的軸功率與水泵（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即水泵的軸功率與供電頻率的三次方成正比）。如下表圖一所示：
根據(jù)上述原理可知改變水泵的轉(zhuǎn)速就可改變水泵的功率。
例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50
將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50，依上述公式計(jì)算。
變頻供水改造系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是按現(xiàn)場最大供水需求（及最大工況）來考慮的，供水水泵的運(yùn)行工況也相同，即按單機(jī)的最大供水需求量來考慮的；在實(shí)際使用中有很多時(shí)間水泵都需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的做法是用開停補(bǔ)（減）泵及開關(guān)閥門的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，用開停補(bǔ)（減）泵會(huì)有啟動(dòng)沖動(dòng)電流，開關(guān)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)增大了系統(tǒng)的節(jié)流損失，且對系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)也是階段性的，調(diào)節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個(gè)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)，對于供水系統(tǒng)超壓爆管這類故障幾乎無能為力。
而通過在供水水泵加裝變頻調(diào)速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個(gè)問題，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能收回投資。變頻節(jié)能的效果是十分顯著的，特別是調(diào)節(jié)范圍大的系統(tǒng)及設(shè)備，通過上表及圖一可以直觀的看出在流量變化時(shí)只要對轉(zhuǎn)速（頻率）稍作改變就會(huì)使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點(diǎn)使得變頻調(diào)速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應(yīng)用于各行業(yè)及各種調(diào)速領(lǐng)域。
二.變頻供水改造系統(tǒng)的改造方案介紹下面對陜西某廠的供水系統(tǒng)做一介紹，該廠供水系統(tǒng)裝機(jī)清單如下
根據(jù)變頻供水改造系統(tǒng)的實(shí)際裝機(jī)情況我們在供水系統(tǒng)各裝二套傳動(dòng)之星風(fēng)機(jī)水泵型SD-YP變頻調(diào)速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環(huán)）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環(huán)）使用，兩套變頻調(diào)速控制柜共用一套自動(dòng)控制系統(tǒng)及中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機(jī)）（如圖二所示）
（1） 系統(tǒng)控制
整個(gè)系統(tǒng)控制信號，包括壓力設(shè)定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監(jiān)控電腦設(shè)定，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機(jī)）完成對工藝流程參數(shù)的檢測、各機(jī)組的協(xié)調(diào)控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務(wù)，下位機(jī)PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場設(shè)備的控制及連鎖等功能。 對于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行信號進(jìn)行綜合，尤其是當(dāng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)處理操作，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。
（2） 變頻器內(nèi)部控制
變頻器內(nèi)部控制及功能，主要是指變頻器內(nèi)部PID功能模塊，內(nèi)部PID功能使現(xiàn)場技術(shù)員設(shè)置和調(diào)試方便，相對于原來的硬件PID板控制，省去了硬件維護(hù)需要，節(jié)省了成本。主控環(huán)節(jié)的壓力設(shè)定信號與系統(tǒng)壓力信號反饋形成閉環(huán)以維持管網(wǎng)恒定壓力（簡稱閉環(huán)控制）。變頻器還具有休眠功能，內(nèi)置RS485或RS232通訊接口，采用聯(lián)機(jī)控制。
（3） 電機(jī)控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統(tǒng)的通用自動(dòng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。
變頻供水改造系統(tǒng)是在保留原有工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝的，（SD-YP）風(fēng)機(jī)水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉(zhuǎn)換功能，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間要設(shè)置聯(lián)鎖以確保系統(tǒng)工作安全。
（4）系統(tǒng)執(zhí)行控制
用壓力傳感器對供水系統(tǒng)母管（供水管道）出口的水壓進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出一類比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據(jù)該類比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)供水壓力（供水量）以達(dá)到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設(shè)計(jì)
PLC選用PLC-VB系列產(chǎn)品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需要PLC的四個(gè)輸出信號控制，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷全由PLC的一個(gè)輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)，設(shè)定水壓的上、下限壓力值，當(dāng)管網(wǎng)壓力處于上、下限位置時(shí)，傳感器分別輸出頻率檢測信號進(jìn)入PLC的兩個(gè)輸入點(diǎn)，與變頻器一起實(shí)現(xiàn)。保證管網(wǎng)的壓力平穩(wěn)。三．供水系統(tǒng)壓力的保障
變頻供水改造系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的平方成正比的關(guān)系，以及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系；在水泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對水泵揚(yáng)程的實(shí)際需求一樣要降低；而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對水泵揚(yáng)程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)供水需求量減少時(shí)，管道壓力逐漸升高，內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器輸出頻率降低，當(dāng)變頻器輸出頻率低至0HZ時(shí)，而管道在一設(shè)定時(shí)間內(nèi)還高于設(shè)定壓力，變頻器切斷當(dāng)前變頻控制泵，轉(zhuǎn)而控制下一個(gè)原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉(zhuǎn)換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個(gè)水泵的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。四．傳動(dòng)之星變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)的特點(diǎn)
根據(jù)上述原理可知改變水泵的轉(zhuǎn)速就可改變水泵的功率。
例如：將供電頻率由50HZ降為45HZ，則P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729P50
將供電頻率由50HZ降為40HZ，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50，依上述公式計(jì)算。
變頻供水改造系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是按現(xiàn)場最大供水需求（及最大工況）來考慮的，供水水泵的運(yùn)行工況也相同，即按單機(jī)的最大供水需求量來考慮的；在實(shí)際使用中有很多時(shí)間水泵都需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的做法是用開停補(bǔ)（減）泵及開關(guān)閥門的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，用開停補(bǔ)（減）泵會(huì)有啟動(dòng)沖動(dòng)電流，開關(guān)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)增大了系統(tǒng)的節(jié)流損失，且對系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)也是階段性的，調(diào)節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個(gè)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)，對于供水系統(tǒng)超壓爆管這類故障幾乎無能為力。
而通過在供水水泵加裝變頻調(diào)速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個(gè)問題，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能收回投資。變頻節(jié)能的效果是十分顯著的，特別是調(diào)節(jié)范圍大的系統(tǒng)及設(shè)備，通過上表及圖一可以直觀的看出在流量變化時(shí)只要對轉(zhuǎn)速（頻率）稍作改變就會(huì)使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點(diǎn)使得變頻調(diào)速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應(yīng)用于各行業(yè)及各種調(diào)速領(lǐng)域。
二.變頻供水改造系統(tǒng)的改造方案介紹下面對陜西某廠的供水系統(tǒng)做一介紹，該廠供水系統(tǒng)裝機(jī)清單如下
根據(jù)變頻供水改造系統(tǒng)的實(shí)際裝機(jī)情況我們在供水系統(tǒng)各裝二套傳動(dòng)之星風(fēng)機(jī)水泵型SD-YP變頻調(diào)速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環(huán)）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環(huán)）使用，兩套變頻調(diào)速控制柜共用一套自動(dòng)控制系統(tǒng)及中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機(jī)）（如圖二所示）
（1） 系統(tǒng)控制
整個(gè)系統(tǒng)控制信號，包括壓力設(shè)定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監(jiān)控電腦設(shè)定，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過中央電腦監(jiān)控系統(tǒng)（工控機(jī)）完成對工藝流程參數(shù)的檢測、各機(jī)組的協(xié)調(diào)控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務(wù)，下位機(jī)PLC主要完成數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場設(shè)備的控制及連鎖等功能。 對于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行信號進(jìn)行綜合，尤其是當(dāng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)處理操作，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。
（2） 變頻器內(nèi)部控制
變頻器內(nèi)部控制及功能，主要是指變頻器內(nèi)部PID功能模塊，內(nèi)部PID功能使現(xiàn)場技術(shù)員設(shè)置和調(diào)試方便，相對于原來的硬件PID板控制，省去了硬件維護(hù)需要，節(jié)省了成本。主控環(huán)節(jié)的壓力設(shè)定信號與系統(tǒng)壓力信號反饋形成閉環(huán)以維持管網(wǎng)恒定壓力（簡稱閉環(huán)控制）。變頻器還具有休眠功能，內(nèi)置RS485或RS232通訊接口，采用聯(lián)機(jī)控制。
（3） 電機(jī)控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統(tǒng)的通用自動(dòng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。
變頻供水改造系統(tǒng)是在保留原有工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝的，（SD-YP）風(fēng)機(jī)水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉(zhuǎn)換功能，變頻節(jié)能系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能與原工頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能相同，變頻節(jié)能系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)之間要設(shè)置聯(lián)鎖以確保系統(tǒng)工作安全。
（4）系統(tǒng)執(zhí)行控制
用壓力傳感器對供水系統(tǒng)母管（供水管道）出口的水壓進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出一類比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據(jù)該類比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)供水壓力（供水量）以達(dá)到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設(shè)計(jì)
PLC選用PLC-VB系列產(chǎn)品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需要PLC的四個(gè)輸出信號控制，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷全由PLC的一個(gè)輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)，設(shè)定水壓的上、下限壓力值，當(dāng)管網(wǎng)壓力處于上、下限位置時(shí)，傳感器分別輸出頻率檢測信號進(jìn)入PLC的兩個(gè)輸入點(diǎn)，與變頻器一起實(shí)現(xiàn)。保證管網(wǎng)的壓力平穩(wěn)。三．供水系統(tǒng)壓力的保障
變頻供水改造系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的平方成正比的關(guān)系，以及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系；在水泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對水泵揚(yáng)程的實(shí)際需求一樣要降低；而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對水泵揚(yáng)程的最低需求。供水壓力的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)量可以通過PID參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)供水需求量減少時(shí)，管道壓力逐漸升高，內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器輸出頻率降低，當(dāng)變頻器輸出頻率低至0HZ時(shí)，而管道在一設(shè)定時(shí)間內(nèi)還高于設(shè)定壓力，變頻器切斷當(dāng)前變頻控制泵，轉(zhuǎn)而控制下一個(gè)原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉(zhuǎn)換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個(gè)水泵的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性。四．傳動(dòng)之星變頻器在變頻供水改造系統(tǒng)的特點(diǎn)
1．穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)；
2．實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長了設(shè)備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
3．內(nèi)置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節(jié)電、市電和停止三位鎖定開關(guān)，便于轉(zhuǎn)換及管理；
5．保護(hù)功能完善，可遠(yuǎn)程控制；
6．操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低電機(jī)噪聲；
8．高效節(jié)能，投資回收快，環(huán)保效果顯著,可實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%～40%。五．結(jié)語
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其中變頻調(diào)速整置在各類調(diào)速系統(tǒng)中使用時(shí)其節(jié)能效果對于單臺設(shè)備可做到10～60%，在風(fēng)機(jī)水泵這類設(shè)備上的應(yīng)用節(jié)能效果對于單臺設(shè)備可做到10～50%，在未受到其它因素的影響的情況下一般可取上限或根據(jù)壓力、流量來調(diào)節(jié)頻率，這些節(jié)能效果平均值是由實(shí)際數(shù)據(jù)再進(jìn)行一些簡單的投資回收率的計(jì)算可知：變頻節(jié)能裝置的投資加收期一般為4～15個(gè)月。
2．實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長了設(shè)備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
3．內(nèi)置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節(jié)電、市電和停止三位鎖定開關(guān)，便于轉(zhuǎn)換及管理；
5．保護(hù)功能完善，可遠(yuǎn)程控制；
6．操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低電機(jī)噪聲；
8．高效節(jié)能，投資回收快，環(huán)保效果顯著,可實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%～40%。五．結(jié)語
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其中變頻調(diào)速整置在各類調(diào)速系統(tǒng)中使用時(shí)其節(jié)能效果對于單臺設(shè)備可做到10～60%，在風(fēng)機(jī)水泵這類設(shè)備上的應(yīng)用節(jié)能效果對于單臺設(shè)備可做到10～50%，在未受到其它因素的影響的情況下一般可取上限或根據(jù)壓力、流量來調(diào)節(jié)頻率，這些節(jié)能效果平均值是由實(shí)際數(shù)據(jù)再進(jìn)行一些簡單的投資回收率的計(jì)算可知：變頻節(jié)能裝置的投資加收期一般為4～15個(gè)月。
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