水泵電機節(jié)水器的設計

魏 喬/河南工業(yè)大學工程訓練中心

水泵電機節(jié)水器的設計

魏 喬/河南工業(yè)大學工程訓練中心

我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1／3。由此可見，在現代工業(yè)生產及居民生活中，水泵應用范圍極為廣泛。用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多。存在“大馬拉小車”的現象。效率低下。造成電能的大量浪費。在不更換原水泵的情況下，在現有水泵電機上加裝節(jié)電器，采用變頻技術對其進行變頻改造，通過改變運行頻率來改變轉速，則可節(jié)約大量的電能。

水泵電機；變頻調速；節(jié)電

一、系統(tǒng)設計的意義

隨著變頻技術的發(fā)展以及人民對供水的質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，水泵電機節(jié)電器以其節(jié)能、環(huán)保和高品質的供水特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。水泵電機節(jié)電器的調速系統(tǒng)可以實現水泵電機的無級調速，根據電流的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的輸出，保持水壓的恒定以滿足節(jié)電效果及用水要求，同時具有各種保護功能。

本文研究設計的水泵電機節(jié)電器可以用于居民小區(qū)、企業(yè)、醫(yī)院、機場等場所的生活用水的控制，也可以用于各類型的自來水廠、增壓泵站，供熱空調循環(huán)用水系統(tǒng)、工業(yè)鍋爐補水系統(tǒng)，化工、制冷空調和其他工業(yè)及民用領域。

下面用一個例子對水泵電機節(jié)電器的設計進行具體闡明。例：運用水泵電機節(jié)電器對一居民小區(qū)4棟7層樓，居住224戶，住宅類型為3型(有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設備)進行節(jié)電供水。保證日夜供水。對于這個例子，系統(tǒng)的電氣組成框圖如圖1所示。

二、系統(tǒng)的設計

（一）系統(tǒng)主要設備的選擇

1．PLC的選擇。

PLC是整個水泵電機節(jié)電器控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素，以日本三菱PLC為例，該PLC有FX、A、Q三大系列，結合我們節(jié)電供水系統(tǒng)輸入/輸出點數不是特別多的特點，我們只要選擇FX一IN就可以了(FX一ZN的性能優(yōu)于FX一IN)。

2．變頻器類型的選擇。

結合該工程項目設計過程與經驗，以負載的要求為主要宗旨對變頻器的類型進行選擇：

（1）對于恒轉矩負載，因其在轉速精度及動態(tài)性能等方面要求一般不高，可選用基于異步電動機恒壓頻比控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒轉矩控制功能的變頻器；

（2）如果被控對象具有一定的動態(tài)、靜態(tài)指標要求，這類負載一般要求在低速時也要有較硬的機械特性，因而可采用基于異步電動機開環(huán)控制的無轉速反饋矢量控制功能的變頻器；

（3）如果被控對象具有較高的動態(tài)、靜態(tài)指標要求，且對于調速精度和動態(tài)性能指標都有較高要求，可采用帶速度反饋的矢量控制方式的變頻器，或者采用恒轉矩功能型的閉環(huán)控制變頻系統(tǒng)；

3.變頻器參數的選擇 。

（1）變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇，可按照電動機的額定容量進行選則。對于一般的恒轉矩負載，變頻器的容量可比電動機的容量放大一級，比如，90kW 的電動機可以選用 110kW的變頻器。如果過載能力較大，必要時可將變頻器的容量放大一倍；針對風機和泵類負載，由于過載要求較低，一般可直接按照電機的額定功率作為最終選擇的依據，不必進行放大。

（2）變頻器額定電流的選擇

在對啟動時間要求不高的情況下，出于多方面的考慮，所選擇變頻器的標稱功率可能小于電動機額定功率。但是由于較低變頻器容量不僅會降低穩(wěn)定運行的功率，也會降低最大過載轉矩，甚至引起啟動困難，因而實際選擇時，恒轉矩負載的變頻器標稱功率不應小于電動機額定功率的 80％；而風機和泵類負載不應小于 65％ 。

4.確定用水標準。

根據4棟7層樓，居住224戶，住宅類型為3型進行節(jié)電供水統(tǒng)計可知，該居民小區(qū)的用水標準取0.13～0.19m3/人日（取0.19m3/人日）。

5.確定每小時最大用水量。

根據4棟7層樓，居住224戶，住宅類型為3型進行節(jié)電供水相關參數的統(tǒng)計可知，該小區(qū)每小時最大用水量為43.80m3/h

6.確定水泵、變頻器的型號。

由設定供水壓力經驗數據：

平房供水壓力p=0.12MPa；樓房供水壓力

p=（0.08+0.04×樓層數）MPa可確定該小區(qū)供水壓力值為：

P=（0.08+0.04×7）=0.36MPa。

根據供水揚程計算公式：H=P/0.01=0.36/0.01=36m

式中，H為供水揚程；P為供水壓力；0.01MPa為1m的供水壓力。

由下表1-3確定水泵型號為50LG24-20×2共2臺，水泵自帶電動機功率為5.5 KW，選用三懇力達 SAMCO-vm05變頻器SPF-5.5K，配接SWS供水基板，容量為5.5KW。

注： 50LG24-20×2

50 - 泵進出口直徑 (mm)

LG - 立式多級分段式離心泵

24 - 泵設計流量 (m3/h）

20 - 泵設計點單級揚程 (m)

2 - 級數

查5.5KW電機的銘牌：額定電壓380v；額定電流11.1A ；功率因數0.88。測試電機空載電流為2A。設電流上限為：11.1A；電流下限為∶2A。可以選用ABB的LNP3 15/20mA的電流互感器。三肯 SPF-5.5K 通用變頻器

7.電氣原理圖設計。

圖2 水泵電機節(jié)電器的電氣原理圖

在圖2所示，當系統(tǒng)選擇變頻控制時，SB1，SB2分別控制電機M1的啟動和停止。當系統(tǒng)選擇工頻控制時，SB3，SB4分別控制電機M2的啟動和停止。KM3為保護繼電器，電流互感器采集的電機工作電流經A/D轉換后得到反饋信號，反饋信號經過PLC的處理來控制變頻器；當電機電流達到電流上限值時，PLC控制繼電器KM3，電機M1停止并控制Y4報警。

（二）系統(tǒng)的軟件程序設計

根據系統(tǒng)的控制要求設計出部分控制程序：

1.FX2N PLC通過RS485模塊與變頻器通訊的部分程序：

2.FX2N PLC控制的部分程序：

三、結論

通過一個應用實例闡述了水泵電機節(jié)電器的硬件，硬件功能以及硬件功能的選擇；分析設計了水泵電機節(jié)電器的軟件；本系統(tǒng)共有2臺5.5kW的水泵電機，假設按每天運行16小時，其中4小時為額定轉速運行，其余12 h為80％額定轉速運行，一年365天節(jié)約電能為：

W = 5.5×12×[1-（80/100）3]×365 = 11756kW.h

若每1kW.h電價為0.60元，一年可節(jié)約電費：

0.60×11756=7053.6元

可見，對傳統(tǒng)供水系統(tǒng)進行改造，按現在的市場價格，一年即可收回投資。以后多年運行經濟效益十分可觀，因此本系統(tǒng)的設計具有非常重要的意義。

通過研究，本文采用變頻器和PLC實現水泵電機節(jié)電。對系統(tǒng)的軟硬件設計進行了詳細的介紹，并通過計算說明了本文研究設計的水泵電機節(jié)電器實現的節(jié)電效果。