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隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源不足問題逐漸顯露。為了應(yīng)對可持續(xù)性發(fā)展，提高生產(chǎn)力，節(jié)能降耗技術(shù)已是企業(yè)的核心競爭力。現(xiàn)代控制理論以及電子電力技術(shù)不斷發(fā)展，變頻器因其良好的控制能力與高效的使用性能被廣泛地應(yīng)用于水泵電動機系統(tǒng)中。水泵系統(tǒng)能耗較高，提高電能的綜合利用效率，促進水泵系統(tǒng)節(jié)能降耗，已成為當前的主要目標。一般情況下，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中水泵電動機獲得頻率為50Hz的交流電源，控制器接通電源后會發(fā)出相應(yīng)的指令，在控制系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)過整流、濾波等電路轉(zhuǎn)化成直流電源，再經(jīng)過直流逆變電路轉(zhuǎn)化成符合電動機需求的頻率和電壓，為電動機控制系統(tǒng)提供電源。控制系統(tǒng)進而輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，最后實現(xiàn)對水泵電動機系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)控。針對水量的動態(tài)變化，水泵控制系統(tǒng)通過控制器和變頻器來實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，對實際情況能夠做出及時的響應(yīng)，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。

1.給排水水泵電動機系統(tǒng)的節(jié)能分析

流量（Q）與揚程（H）之間存在唯一對應(yīng)的關(guān)系。有關(guān)部門在對離心泵給水系統(tǒng)進行規(guī)劃時，往往優(yōu)先考慮最差情況。但在實際中，大部分時間的用水量與最高時間的用水量相比普遍較低。在閥門控制水泵系統(tǒng)的過程中，若流量從Q7減小到Q1時，需關(guān)小閥門。當離心泵的流量減小時，對應(yīng)的揚程會增加，降低水泵系統(tǒng)的效率。其次，蓄水池水位會發(fā)生變化，設(shè)計人員在設(shè)計過程中應(yīng)將最差情況考慮在內(nèi)，即考慮水池最低水位的情況，在這一過程中系統(tǒng)的凈揚程達到最高點。實際生活中水池多數(shù)時間高于最低水位，導致凈揚程普遍低于原有的凈揚程設(shè)計，設(shè)計的出水量高于水泵的出水量。基于上述情況，工作人員只能關(guān)閉閥門，進而控制出水量，浪費給排水水泵電動機系統(tǒng)能源。

2.節(jié)能方案介紹

根據(jù)水泵的工作原理可知，要調(diào)節(jié)供水量，通常有兩種方式：一種方式是改變水流量的體積而保持轉(zhuǎn)速不變，但這種方式也存在一定的不足，水流量的變化會導致水壓產(chǎn)生變化，從而導致水泵的實際功率發(fā)生變化，增加整個系統(tǒng)的能耗；第二種常見的方式是保持流量不變改變轉(zhuǎn)速。通過試驗對比可以得出如下結(jié)論：第二種方式比第一種方式效率更高，而且耗能也有所減少。對于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速而言方法有許多種，都有各自的優(yōu)點和缺點，如變極對數(shù)調(diào)速控制電路，其優(yōu)點是技術(shù)性較低，相比較而言成本也更低一些，但其局限性在于調(diào)速的范圍有限。通過對性能和成本等方面的分析，可以得出改變水泵電動機頻率是目前為止相對節(jié)能、有效的調(diào)整方案。

3.技術(shù)革新要點

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在水泵系統(tǒng)控制方式上有了更多的選擇。最為常見的方式是通過繼電接觸器控制，但這種控制方法對于實際生產(chǎn)要求來說顯得比較落后。本次研究采用PID調(diào)節(jié)器和PLC控制方式。在試驗設(shè)計中，選取三臺水泵電動機組成一個水泵組。要求每個水泵的出水管裝有手動閥門，能夠及時有效地調(diào)節(jié)水流量，也能夠保證出現(xiàn)意外時方便處理。水泵組由兩臺大功率水泵和一臺小功率水泵構(gòu)成，通過三臺水泵的組合調(diào)配能夠滿足一般的供水需求。具體設(shè)計連接如下：將PLC與PID調(diào)節(jié)器連接，再將PID調(diào)節(jié)器連接到變頻器上，通過變頻器將獲取的信號傳送給傳感器，傳感器再將信號作用于水泵組，進而作用于整個供水管網(wǎng)，在供水管網(wǎng)測得實時壓力，再通過壓力傳感器傳送給PID調(diào)節(jié)器，從而實現(xiàn)一個流程的循環(huán)。控制系統(tǒng)由兩個變頻器和兩個壓力傳感器組成，其中一臺變頻器可控制兩臺大功率水泵（1#泵和2#泵）。一般情況下，要求3#小功率水泵一直處于工頻模式運行，另外兩臺大功率水泵則根據(jù)實際情況和用水量通過變頻器控制來調(diào)整。通常日間用水需求即使為最小時，只靠3#水泵工頻運轉(zhuǎn)也無法直接滿足，所以一般情況下，日間供水要求2#水泵和3#水泵同時工作。假如用水需求量不大，就保持3#水泵工頻使用，而2#水泵保持變頻狀態(tài)；否則，2#水泵會根據(jù)實際用水量自動轉(zhuǎn)入工頻狀態(tài)，變頻器作用于1#水泵，從而實現(xiàn)系統(tǒng)供水量改變、壓力不變的目標。一般情況下，這三臺水泵同時工作就能夠滿足最大供水需求。如果三臺水泵同時工作仍然不能滿足供水需求的話，變頻器會根據(jù)程序的設(shè)定自動退出整個系統(tǒng)，也就保證了三臺水泵同時工頻運行，以滿足最大供水量的需求。此種設(shè)計方式系統(tǒng)相比較為簡單、程序易操作，具有較高的穩(wěn)定性。

4.水泵電動機變頻調(diào)速后效果分析

為了驗證采用變頻調(diào)速技術(shù)后，水泵調(diào)控系統(tǒng)所取得的節(jié)能效益，將兩臺工作水泵電動機中的一臺采用工頻調(diào)節(jié)運行，另外一臺采取變頻調(diào)速運行。在技術(shù)性能和環(huán)境相同情況下，1#水泵電動機相比2#水泵電動機運行更加穩(wěn)定，平均運行電流降低到280A，比工頻運行額定電流的410A降低130A，理論節(jié)電效率為：[1－(280/410)2]×100%＝53.37%，實際節(jié)電效率為47%，節(jié)能降耗的效果十分明顯。

作者:劉廣勝 單位:上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司第一設(shè)計研究院