變頻器在變頻供水改造系統中的節能實用方案
2013-7-15 13:38:19??????點擊：
變頻器在變頻供水改造系統中的節能實用方案
一．變頻供水改造系統概述
由水泵的工作原理可知：水泵的流量與水泵電機的轉速成正比，水泵的揚程與水泵電機的轉速的平方成正比，水泵的軸功率等于流量與揚程的乘積，故水泵的軸功率與水泵（電機）的轉速的三次方成正比（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：
根據上述原理可知改變水泵的轉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，依上述公式計算。
變頻供水改造系統在設計時是按現場最大供水需求（及最大工況）來考慮的，供水水泵的運行工況也相同，即按單機的最大供水需求量來考慮的；在實際使用中有很多時間水泵都需要根據實際工況進行調節，傳統的做法是用開停補（減）泵及開關閥門的方式進行調節，用開停補（減）泵會有啟動沖動電流，開關閥門進行調節增大了系統的節流損失，且對系統本身的調節也是階段性的，調節速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個系統工作在波動狀態，對于供水系統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速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個問題，可實現自動調節控制，可使系統工作狀態平緩穩定，并可通過變頻節能收回投資。變頻節能的效果是十分顯著的，特別是調節范圍大的系統及設備，通過上表及圖一可以直觀的看出在流量變化時只要對轉速（頻率）稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點使得變頻調速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應用于各行業及各種調速領域。
二.變頻供水改造系統的改造方案介紹下面對陜西某廠的供水系統做一介紹，該廠供水系統裝機清單如下
根據變頻供水改造系統的實際裝機情況我們在供水系統各裝二套傳動之星風機水泵型SD-YP變頻調速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環）使用，兩套變頻調速控制柜共用一套自動控制系統及中央電腦監控系統（工控機）（如圖二所示）
（1） 系統控制
整個系統控制信號，包括壓力設定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監控電腦設定，上位機監控系統主要通過中央電腦監控系統（工控機）完成對工藝流程參數的檢測、各機組的協調控制以及數據的處理、分析等任務，下位機PLC主要完成數據采集，現場設備的控制及連鎖等功能。 對于整個系統的運行信號進行綜合，尤其是當出現故障狀態時的系統處理操作，是整個系統的核心控制部分。
（2） 變頻器內部控制
變頻器內部控制及功能，主要是指變頻器內部PID功能模塊，內部PID功能使現場技術員設置和調試方便，相對于原來的硬件PID板控制，省去了硬件維護需要，節省了成本。主控環節的壓力設定信號與系統壓力信號反饋形成閉環以維持管網恒定壓力（簡稱閉環控制）。變頻器還具有休眠功能，內置RS485或RS232通訊接口，采用聯機控制。
（3） 電機控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統的通用自動功能進行設計。
變頻供水改造系統是在保留原有工頻系統的基礎上加裝的，（SD-YP）風機水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉換功能，變頻節能系統的聯動控制功能與原工頻系統的聯動控制功能相同，變頻節能系統與原工頻系統之間要設置聯鎖以確保系統工作安全。
（4）系統執行控制
用壓力傳感器對供水系統母管（供水管道）出口的水壓進行采樣，轉換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設定值進行比較運算后輸出一類比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據該類比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉速并調節供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設計
PLC選用PLC-VB系列產品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運行，也可工頻運行，需要PLC的四個輸出信號控制，變頻器的運行與關斷全由PLC的一個輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個輸入點，設定水壓的上、下限壓力值，當管網壓力處于上、下限位置時，傳感器分別輸出頻率檢測信號進入PLC的兩個輸入點，與變頻器一起實現。保證管網的壓力平穩。三．供水系統壓力的保障
變頻供水改造系統的變頻節能系統在實際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關系，以及水泵的轉速與管損平方成正比的關系；在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩定和調節量可以通過PID參數的調整。當供水需求量減少時，管道壓力逐漸升高，內部PID調節器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0HZ時，而管道在一設定時間內還高于設定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉而控制下一個原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個水泵的利用率均等，增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性。四．傳動之星變頻器在變頻供水改造系統的特點
根據上述原理可知改變水泵的轉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，依上述公式計算。
變頻供水改造系統在設計時是按現場最大供水需求（及最大工況）來考慮的，供水水泵的運行工況也相同，即按單機的最大供水需求量來考慮的；在實際使用中有很多時間水泵都需要根據實際工況進行調節，傳統的做法是用開停補（減）泵及開關閥門的方式進行調節，用開停補（減）泵會有啟動沖動電流，開關閥門進行調節增大了系統的節流損失，且對系統本身的調節也是階段性的，調節速度緩慢，減少損失的能力很有限也使整個系統工作在波動狀態，對于供水系統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速器裝置，則可以一勞永逸的解決好這個問題，可實現自動調節控制，可使系統工作狀態平緩穩定，并可通過變頻節能收回投資。變頻節能的效果是十分顯著的，特別是調節范圍大的系統及設備，通過上表及圖一可以直觀的看出在流量變化時只要對轉速（頻率）稍作改變就會使水泵軸功率有更大程度上的改變，就因有此特點使得變頻調速方式成為一種趨勢，并且不斷深入的應用于各行業及各種調速領域。
二.變頻供水改造系統的改造方案介紹下面對陜西某廠的供水系統做一介紹，該廠供水系統裝機清單如下
根據變頻供水改造系統的實際裝機情況我們在供水系統各裝二套傳動之星風機水泵型SD-YP變頻調速控制柜，其中1#變頻柜供兩臺55KW水泵切換（循環）使用；2#變頻柜供兩臺93KW水泵切換（循環）使用，兩套變頻調速控制柜共用一套自動控制系統及中央電腦監控系統（工控機）（如圖二所示）
（1） 系統控制
整個系統控制信號，包括壓力設定信號，工頻和變頻故障信號處理，水位故障檢測處理均由主控PLC或監控電腦設定，上位機監控系統主要通過中央電腦監控系統（工控機）完成對工藝流程參數的檢測、各機組的協調控制以及數據的處理、分析等任務，下位機PLC主要完成數據采集，現場設備的控制及連鎖等功能。 對于整個系統的運行信號進行綜合，尤其是當出現故障狀態時的系統處理操作，是整個系統的核心控制部分。
（2） 變頻器內部控制
變頻器內部控制及功能，主要是指變頻器內部PID功能模塊，內部PID功能使現場技術員設置和調試方便，相對于原來的硬件PID板控制，省去了硬件維護需要，節省了成本。主控環節的壓力設定信號與系統壓力信號反饋形成閉環以維持管網恒定壓力（簡稱閉環控制）。變頻器還具有休眠功能，內置RS485或RS232通訊接口，采用聯機控制。
（3） 電機控制
本方案的控制方式將按恒壓供水系統的通用自動功能進行設計。
變頻供水改造系統是在保留原有工頻系統的基礎上加裝的，（SD-YP）風機水泵型變頻器本身就還具有工頻、變頻轉換功能，變頻節能系統的聯動控制功能與原工頻系統的聯動控制功能相同，變頻節能系統與原工頻系統之間要設置聯鎖以確保系統工作安全。
（4）系統執行控制
用壓力傳感器對供水系統母管（供水管道）出口的水壓進行采樣，轉換成電量信號后送至PID控制器，控制器將該信號與設定值進行比較運算后輸出一類比信號（一般為4—20MA、0—10V）給變頻器，變頻器根據該類比信號決定其輸出頻率，改變水泵轉速并調節供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的（如圖三所示）。
（5）PLC硬件設計
PLC選用PLC-VB系列產品,水泵M1、M2、M3、M4、可變頻運行，也可工頻運行，需要PLC的四個輸出信號控制，變頻器的運行與關斷全由PLC的一個輸出信號控制，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的一個輸入點，設定水壓的上、下限壓力值，當管網壓力處于上、下限位置時，傳感器分別輸出頻率檢測信號進入PLC的兩個輸入點，與變頻器一起實現。保證管網的壓力平穩。三．供水系統壓力的保障
變頻供水改造系統的變頻節能系統在實際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關系，以及水泵的轉速與管損平方成正比的關系；在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。供水壓力的穩定和調節量可以通過PID參數的調整。當供水需求量減少時，管道壓力逐漸升高，內部PID調節器輸出頻率降低，當變頻器輸出頻率低至0HZ時，而管道在一設定時間內還高于設定壓力，變頻器切斷當前變頻控制泵，轉而控制下一個原工頻控制泵，變頻器在水泵控制轉換過程中，逐漸輪換使用水泵，使每個水泵的利用率均等，增加系統、管道壓力的穩定性和可靠性。四．傳動之星變頻器在變頻供水改造系統的特點
1．穩定整個系統的正常運行，抗干擾能力強；
2．實現了電機的軟啟動，延長了設備的使用壽命，避免了對電網的沖擊；
3．內置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節電、市電和停止三位鎖定開關，便于轉換及管理；
5．保護功能完善，可遠程控制；
6．操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優化設計，降低電機噪聲；
8．高效節能，投資回收快，環保效果顯著,可實現節電20%～40%。五．結語
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個行業得到了廣泛的應用，其中變頻調速整置在各類調速系統中使用時其節能效果對于單臺設備可做到10～60%，在風機水泵這類設備上的應用節能效果對于單臺設備可做到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壓力、流量來調節頻率，這些節能效果平均值是由實際數據再進行一些簡單的投資回收率的計算可知：變頻節能裝置的投資加收期一般為4～15個月。
2．實現了電機的軟啟動，延長了設備的使用壽命，避免了對電網的沖擊；
3．內置PID功能，可接受多種給定、反遺信號；
4．具有節電、市電和停止三位鎖定開關，便于轉換及管理；
5．保護功能完善，可遠程控制；
6．操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
7．超靜音優化設計，降低電機噪聲；
8．高效節能，投資回收快，環保效果顯著,可實現節電20%～40%。五．結語
變頻器的高性能和完善的功能，使其在各個行業得到了廣泛的應用，其中變頻調速整置在各類調速系統中使用時其節能效果對于單臺設備可做到10～60%，在風機水泵這類設備上的應用節能效果對于單臺設備可做到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壓力、流量來調節頻率，這些節能效果平均值是由實際數據再進行一些簡單的投資回收率的計算可知：變頻節能裝置的投資加收期一般為4～15個月。
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