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隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源（水、電、油）消耗在企事業(yè)單位生產(chǎn)成本中所占的比重越來越高，如何有效地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，開發(fā)企業(yè)的第二利潤中心，愈來愈受到企事業(yè)的重視。
根據(jù)流體力學(xué)原理，水泵的流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，壓力與電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，變頻恒壓供水設(shè)備由水泵、風(fēng)機(jī)類專用型交流變頻調(diào)速器、PLC可編程控制器、遠(yuǎn)傳壓力傳感器，PID調(diào)節(jié)控制器，調(diào)節(jié)閥門、泵組等構(gòu)成。根據(jù)不同的需要，可采取恒壓控制、恒流量控制等多種閉環(huán)自動控制方法。水泵采用變頻調(diào)速技術(shù)后，節(jié)能效果比傳統(tǒng)調(diào)壓調(diào)流方式可節(jié)電40%～50%，節(jié)約用水約量8%。
恒壓供水控制水泵設(shè)計及控制方法
恒壓供水系統(tǒng)主要組成是
變頻器、壓力傳感器（或遠(yuǎn)傳壓力表）和循環(huán)水泵，而風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械性能曲線如圖1，其流量與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速-力矩特性為二次方遞減力矩，所需要的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即：
q∝n, h∝n2 ， p∝n3
q:流量， h:揚(yáng)程， p:軸功率， n：轉(zhuǎn)速
數(shù)學(xué)關(guān)系式為：p=0.163•q•h/ηp（kW）
其中：p：軸功率，q：流量，h：揚(yáng)程，ηp： 泵效率
傳統(tǒng)的方法是電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變，使用閥門的開啟度（增大或減小管阻）實現(xiàn)流量控制（俗稱憋泵），其揚(yáng)程-流量特性見圖2，例如需要額定流量的 100%、80%、40%流量時，使用閥門調(diào)節(jié)的方法，其工作點對應(yīng)圖中A、B、C點。這樣造成供水管網(wǎng)壓力不穩(wěn)，工作效率低、啟動電流大、工作噪聲大、電能耗量大等特點。
采用變頻調(diào)速控制時，設(shè)定供水壓力，根據(jù)用水量的大小，變頻器改變輸出頻率，使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度保證供水量，從而使供水系統(tǒng)工作壓力維持動態(tài)平衡，見圖2，其工作點對應(yīng)A、D、E。而對應(yīng)的閥門控制和速度控制對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
Pm=q•h/（η/η0） 工作點的軸功率
PIN（V）=Pm/ηm 閥門控制時消耗的電功率
PIN（I）=Pm/（η1m•ηINV ） 速度控制時消耗的電功率
P0=0.163•Q0•H0/η0 額定工作點的軸功率
這里：ηINV：變頻器效率，η1m：變頻器拖動對應(yīng)工作點電機(jī)效率，ηm：工頻拖動對應(yīng)工作點電機(jī)效率
例如：電機(jī)功率P=15kW，效率η0=0.9，電壓U=380V，電流I=29.4A，轉(zhuǎn)速N=1440rpm，極數(shù)pole=4；Y132S2-2型水泵，流量Q=107m3/h=1.87m3/min，揚(yáng)程H=32m，泵效率ηpump=0.65，泵性能曲線如圖1，泵的揚(yáng)程-流量特性曲線如圖2，可計算得表1泵的不同工作點與軸功率及表2泵不同工作點消耗電能比較：
◆ 表1 泵不同工作點與軸功率：
|
工作點 |
水泵額定值 |
閥門控制 |
|
變頻器控制 |
|
|
流量Q |
1.87 |
1.43m3/min |
0.71m3/min |
1.43m3/min |
0.71m3/min |
|
轉(zhuǎn)速n |
1440rpm |
1440rpm |
1440rpm |
1252rpm |
936rpm |
|
揚(yáng)程h |
32 |
35.5 |
40 |
25 |
16 |
|
泵效率ηpump |
0.65 |
0.66 |
0.48 |
0.66 |
0.62 |
|
軸功率P |
14.3 |
12.4 |
9.68 |
8.72 |
3 |
◆ 表2 泵不同工作點消耗電能比較：
|
控制方式 |
閥門控制 |
變頻器控制 |
|
流量 |
1.43m3/min |
0.71m3/min |
1.43m3/min |
0.71m3/min |
|
消耗電功率 |
13.8 |
11.1 |
10 |
4 |
|
電機(jī)效率 |
0.9 |
0.88 |
0.87 |
0.75 |
|
變頻器效率 |
|
|
0.95 |
0.92 |
由表1和表2可知，水泵電機(jī)消耗的電功率與頻率的三次方成正比，在保證壓力恒定的情況下, 降低電機(jī)的工作頻率, 可有明顯的節(jié)能效果：
◆ 流量為額定流量的80%時，變頻控制比閥門控制節(jié)能為：13.8/14.3-10.0/14.3=26.6%
◆ 流量為額定流量的40%時，變頻控制比閥門控制節(jié)能為：11.1/14.3-4.00/14.3=49.6%
據(jù)統(tǒng)計一年中水泵電機(jī)負(fù)載率在50%以下的時間占總運(yùn)行時間的50%以上，因此變頻控制系統(tǒng)節(jié)能效果相當(dāng)明顯。
