变频器在双泵并网恒压供水系统中的应用

0 引言

变频调速技术的快速发展，使世界范围内的电气传动控制领域发生了根本性的变革，而变频器以其优越的调速性能和节能优势得到了广泛应用。我公司大水池供水设备中配有两台水泵，功率为22 kW，原控制方式为Y-△启动，全压运行，由操作人员根据生产情况来确定开机的数量以及供水阀门的开度，有时需要开两台水泵，但其中一台泵的供水阀门仅开启20%左右，造成很大的浪费。同时在运行中，系统的供水压力和供水量也很不稳定，因而设备振动厉害。为能达到良好的供水性能，对其进行了恒压供水变频节能改造，取得了良好的效果。

1 恒压供水变频节能原理

在变频改造前，水泵供水是通过调节阀门的开度来达到改变供水量的目的，供水管路的水压与流量特性曲线如图1所示。

图中曲线①为额定转速时的特性曲线，曲线②为阀门全开时的特性曲线，曲线③为关小阀门时的特性曲线。当水泵工作在曲线②的A 点时，其流量与压力分别为q1与p2，此时水泵所需的功率正比于p2与q1的乘积。由于工艺要求需减小水量到q2时，通过增加管网管阻，使水泵的工作点移到曲线③上的B 点，水压增大到p1，这时水泵所需的功率正比于p1与q2的乘积，由图1可见这种调节方式控制虽然简单，但功率消耗并无减少。

如果采用通过改变电机的运转速度来改变供水量，其特性曲线如图2所示。

图中曲线②为阀门全开时的特性曲线，曲线①为额定转速时的特性曲线，曲线④为减小转速时的特性曲线。水泵转速下降时，工作点由A 点移到C点，流量仍是减小到q2，压力由p2降到p3，这时水泵所需的功率正比于p3与q2的乘积，由图可见功率的减少是明显的，通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属变转矩负载，其转速n 与流量q，压力p 以及轴功率P具有如下关系

即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。当电机转速稍有下降时，轴功率将大幅下降。

根据三相异步交流电动机的转速公式

式中：f 为电源频率;

p 为电机极对数;

s 为电机转差率;

n为电机转速。

只要改变电机的供电电源频率f，就可实现电机转速n的变化，从而实现调速的目的，而变频器正是电机变频调速的执行设备。

2 方案设计

变频器不但具有动态性能好、容量大、节能等显著特点，而且还可在不增加设备的情况下，利用其内置PID功能实现系统的闭环过程调节，达到精确地控制电机转速的目的，本系统的设计方案即为闭环调整控制。工作原理图如图3所示。

由压力变送器MBS3000(0~6 bar)来执行供水压力的压力检测功能，将信号变换后产生的4~20 mA 电流信号反馈回变频器，此信号与变频器给定信号进行比较，得出差分信号，经变频器内部PID运算，输出相应的控制信号，控制变频器的输出从而调节泵的转速，当出口供水压力高于设定值时(即当用水量减少时)，变频器输出频率会自动降低，反之会自动升高，使泵出口压力始终恒定在设定值上，以保证用水间的用水压力稳定。

本系统中共有两台电机并网供水，此次改造中给两台电机各配备一台变频器，正常时为一用一备，用水量大时两台全部投入运行。压力变送器安装在总出水口处，两台变频器切换使用一个压力反馈信号。在自动运转方式下，首先一台泵投入运行，随供水压力变化自动调节电机频率，保持供水压力恒定，当用水量增大而泵运转频率长时间超出设定最高频率后，第二台泵自动启动，以恒转速(50 Hz)运转;随着用水量的减少，在第一台泵运行频率低于设定最低频率后，第二台泵退出运转，如此根据供水量，两台泵循环运行。

2.1 变频器控制方式

Danfoss 变频器不但具有通用型变频器的常用基本功能，还具有很多可编程的内部功能，灵活运用很容易实现许多控制功能，此次改造中就是充分利用了这一点，只须通过变频器的内部功能就实现了手动、自动功能的转换，电机的相互切换等功能。本方案根据性价比采用Danfoss8000 系列，主要功能接线图如图4所示。

2.1.1 闭环控制与开环控制自动转换功能

Danfoss变频器共具有4个参数设置区，该4个设置区可以独立编程，然后可通过数字量输入端子或者串行通讯方式在各个设置区之间进行转换。

利用菜单转换功能给每台变频器设置两个菜单，菜单1 为有压力反馈信号的闭环运转方式，菜单2为恒速的开环控制。在自动运转方式中根据开机顺序选择，首先运行的变频器的端子32的信号为0，此方式设置为菜单1功能，同时接通端子60(反馈信号输入);而另外一台变频器则通过外部继电器控制接通端子32(参数为LSB)，同时断开端子60，此方式设置为菜单2功能。这样在正常运行时就可保证两台泵为一备一用，使用一个压力变送器信号即可。外电路中设计了1# -2#或2# -1#顺序开机选择功能，如选择1#-2#则表示1#泵首先投入运行为主泵，2#泵为辅泵;同理2#-1#选择方式下，2#为主泵，1#为辅泵，这样既保证了恒压供水要求，又避免了长期只开其中一台泵的现象，使各泵磨损均匀且不锈死，延长了水泵的使用寿命。

2.1.2 辅泵自动投入和退出控制

VLT8032 有两组继电器，通过内部编程两组继电器共有31个功能可利用，本系统中就是利用了这个功能实现了辅泵自动启停的控制，非常简单。在菜单1 中设置继电器1 和2为频率检测功能，根据主泵输出频率的变化，在用水量大时自动控制第2台变频器启动，由于第2台为恒压开环控制，一直以高频运转，此时第1台变频器输出频率会自动随水压调整;当用水量低时第1台变频器运转频率下降，当低于设定频率时，第2台变频器自动退出运行。因此两台水泵可实现平稳，无波动切换。

2.1.3 压力给定

通过端子50、53、55外接安装在操作面板上的1kΩ电位器，作为自动运行时的实际压力。

在自动运行方式中给定值的设定是0~10 V对应于最小及最大反馈值，在手动运行方式中是作为外部给定参考值，0~10 V对应最小及最大外部给定参考值。无论是自动或是手动方式，操作人员都可根据生产要求对电机频率进行调整。

2.1.4 其他功能

VLT8000 系列还具有一些水泵控制专用的功能，例如睡眠频率、唤醒频率、压力补偿等，合理地利

用这些功能会使整个系统运作的更加合理稳定。

2.2 注意事项

异步电动机在全压起动时，从静止状态加速到额定转速，所用的时间≤0.5 s。这意味着在不足0.5 s的时间里，水的流量从零猛增到额定流量。由于流体具有一定的动量和一定程度的可压缩性，因此，在极短的时间内，流量的巨大变化将对管道产生过高或过低的压力冲击。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，这种现象称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性，应用变频调速后，应合理地设置变频器的加、减速时间来延长起动和停止过程从而彻底消除水锤效应。

泵在变频调速运行过程中，往往也会出现水锤现象，当频率低于10 Hz 时，泵的出口压力往往会低于止回阀的阻力，这样就会出现水锤现象，所以变频器的参数设定范围一般应设置为低限不低于25 Hz。

3 系统运行效果

变频器自身保护功能完善，具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护，瞬时停电保护，过载、失速保护等功能，大大加强了对电机的保护。同时变频器的无级调速运行，实现了电机软启动、软停运，避免了电机开停时的大电流对电网的冲击，消除了水泵的水锤效应，使系统供水压力稳定而流量在大范围内可连续变化。

在节能方面效果也是非常显著的，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，节能如按40%计算，则一台22 kW 电机每月节电约为22(kW)×40%×24(h)×30(d)×0.8(元/kW·h)=5 068元，年节约为60 816元。

采用了变频调速后由于水泵平均转速下降，工作过程中平均转矩减小，使轴承的磨损和叶片所受的应力都大为减小，延长了水泵的使用寿命。设备运行时水泵的出口阀门是完全打开的，消除了阀门因节流而产生的噪声，改善了操作人员的工作环境和劳动强度。