变频调速节能控制在水泵电机系统中的应用研究摘要:建筑给排水系统中水泵电机的控制和稳定运行,是确保建筑给排水安全可靠、节能经济高效稳定运行的重要保障性基础。

为解决原有给排水系统中水泵电机运行中存在的电能浪费严重、起动冲击较大、综合使用寿命较短等问题,针对建筑给排水系统中3台(两用一备运行方式)220kW水泵电机的现场供水工艺要求,提出了将水泵电机控制方式由常规直接起动,改变为以变频器和PLC为控制核心的变频调速节能控制方案。

从运行数据统计分析结果表明,水泵电机采用变频调速节能控制方案,达到了节能改造性能要求,实时平滑调控和节能效果均十分明显。

关键词:水泵电机变频调速节能变频器
高能耗已成为建筑给排水系统水泵电机安全可靠、节能经济的高效稳定调节运行的一大瓶颈,提高水泵电机的运行可靠性、调控平衡性能、以及电能综合利用效率,对低碳绿色环保新社会中的建筑节能降耗有着非常重要的作用。

因此,如何结合电机调节运行控制的基本原理,采取有效的技术升级改造措施,降低水泵电机的运行费用就成为建筑节能降耗迫切需要解决的问题。

从目前国内外有关水泵电机调控技术来看,较为有效的节能降耗技术措施就是采用变频调速自动控制技术,对常规的继电器额定容量控制技术进行技术升级改造[1]。

1 水泵电机变频调速控制原理
在变频调速控制系统中,水泵电机控制系统在从煤矿配电网系统中获得频率为50Hz的交流电源后,就会通过PLC控制器发出对应命令,经变频器内部整流电路、滤波电流等相关电路转换成直流电源后,再经变频器控制单元的直流逆变电路转换成频率f和电压U均满足电机实时调控需要的交流电源,直接供给电机拖动系统中提供动力,经电机拖动系统转换输出所需的转矩,实现对水泵电机拖动系统的动态变频调节控制。

对于水泵电机拖动系统而言,根据整个拖动系统需求侧需水量的动态波动变化,通过PLC控制器和变频器组成变频调速控制系统中的相关功能单元的动态调节,来优化水泵电机的实时调节运行的工况曲线,达到节能降耗动态调控的目的[2]。

水泵电机节能经济运行工况曲线,具体详见图1所示。

图1中可以直观看出,水泵电机在正常运行时,其额定运行工况点处于A点,当用户需求水量随负荷波动从降低到的过程中,如采用常规阀门静态调节控制,则整个水泵拖动系统的供水管网自身所具备的管阻特性将会从(阀门全开)向(阀门关小)方向进行实时调节,对应工况点将会从A点调到B点,整个调节过程中功率由OQ1AH1变为OQ2BH2,变化较小,但电机电能转换功率(效率)却随之降低非常多。

另外,水泵电机运行工况的突然从A点跃变到B点,将会给整个供水管网带来非常大的冲击,会影响到需求侧的水量的正常供应,影响用户安全可靠、
节能经济的正常高效生产。

采用PLC和变频器对电机拖动系统进行技术升级改造后,可以根据需求侧用户用水量的波动情况,实时动态调节水泵电机的输入电源频率来进行运行转速调节。

在图1中,当整个电力拖动系统需求侧需水量由降低到的变化过程中,水泵电机的实时调节运行工况曲线,金贵从额定转速的平滑过渡到运行工况曲线上,对应工况点将由A点平滑过渡到C点。

按照面积估算法可以获得,当水泵电机拖动系统采用基于PLC和变频器的变频调速控制系统的技术升级改造后,其在同等流量变化调节下,整个电机拖动系统理论节约的电能资源为图1中阴影部分H2CBH2所示,不仅其能进行平滑稳定调节控制,同时整个系统节能节电效果十分明显。

2 水泵电机变频调速节能改造技术要点
建筑给排水系统中水泵电机采取基于PLC与变频器的变频调速技术升级改造中,其节能实现的基本控制要求包括以下多个方面。

(1)节能控制系统应具备抑制电磁干扰的相应有效技术措施,能够防止非正弦波干扰水泵电机控制系统中的电脑主机、计时器、传感器等精密仪器设备的高效稳定工作,也就是采用变频调速控制系统进行技术升级改造过程中,不能改变水泵电机控制系统的其它功能单元和元器件设备的正常稳定运行性能参数。

(2)在变频调速节能运行过程中,当水量检测系统出现故障时,变频调速控制系统将以电机拖动系统上限频率进行恒功率运行,以确保系统最大的水量。

当变频调速控制系统出现故障时,能够发出声响及指示灯指示,提醒运行管理人员进行相关设备性能检查,同时起动原控制系统(如:软起动、继电器直接起动等)。

3 水泵电机变频调速节能改造效益分析
3.1 电机变频调速节能改造方案
建筑给排水系统中共采用3台(两用一备运行方式)的水泵机组,其轴功率为203kW,配置异步电动机型号为Y355M1-2-220kW/380V F 级IP55,功率为220kW。

为了提高给排水电机拖动系统运行的经济可靠性,结合建筑给排水系统的实际运行工况,遵循“最小改动、最大可靠性、最优经济性”等电机拖动系统技术升级改造基本原则,决定采用基于PLC与变频器的变频调速控制对给排水电机拖动系统进行技术升级改造,1#水泵电机采取变频运行方式,2#水泵电机采取工频运行方式。

3.2 水泵电机变频调速升级改造节能效益分析
为了分析采用变频调速技术升级改造后,水泵电机拖动系统所取得的节能经济效益,将2台工作用水泵电机中的1台采取工频调节运
行工况,另外1台采取变频调速运行工况。

2台参数相同水泵电机的实际运行数据比对,如表1所示。

从表1可知,在各项运行技术指标和环境均相同情况下,1#水泵电机相比2#水泵电机其调节运行工况性能要更加平滑稳定,平均运行电流降低到287A,比工频运行额定电流的416A,要直接降低129A,理论节电效率为:
实际节电效率为48%,节能节电效果十分明显。

4 结语
采用基于PLC与变频器的变频调速控制,能有效控制给排水系统的电机工作效率,降低电机运行能耗,达到增收节支、降低运营成本的目的。

同时,采取变频调速技术升级改造后,能够实现电机的软起动和设备软运行,并实现了电机拖动系统过压、过流、缺相等多种保护功能,消除了电机起动、调节过程中的电流、电弧冲击问题,避免了运行工况突然改变水垂现象的发生,大幅度降低了设备冲击冲击损害,降低了温升及运行噪,可以大大延长电机、接触器、以及给排水系统中的轴承、阀门、管道等机械设备的综合使用寿命。

参考文献
[1] 王新亭,李庆红.变频调速技术在风机水泵节能改造中的应用[J].自河南工程学院学报(自然科学版),2010,22(3):20-22.
[2] 张文海,谭红军,车吉善,等.电动给水泵变频调速改造可行性研究[J].电机控制与应用,2008,35(4):42-45.。