試論恒壓供水變頻控制系統的組成與實現方法

云寶鋼

【摘 要】用水部門之所以使用并重視恒壓供水變頻控制系統，緣于它的諸多優點。恒壓變頻控制供水系統先進的工作原理及實施方法，克服了傳統供水系統浪費較大、穩定精度較差的缺點，最重要的是它與時俱進，具備喜人的節能效果，與人們所追求的“節能環?！崩砟畈恢\而合，并且能夠贏得較大的經濟效益，因此備受青睞、推崇。

【關鍵詞】恒壓供水；變頻控制；工作原理；系統組成；實現方法；節能效果

用水部門之所以使用并重視恒壓供水變頻控制系統，緣于它的諸多優點。恒壓變頻控制供水系統先進的工作原理及實施方法，克服了傳統供水系統浪費較大、穩定精度較差的缺點，最重要的是它與時俱進，具備喜人的節能效果，與人們所追求的“節能環?！崩砟畈恢\而合，并且能夠贏得較大的經濟效益，因此備受青睞、推崇。

1.使用恒壓供水變頻控制系統是形勢所需

傳統的供水控制系統中，水泵是連續恒速運行的。流量的控制，是通過調節給水管道中調節閥和回流支路實現的。這兩種調節方法都存在明顯的缺陷，采用調節閥調節時，由于閥門開度的減小，導致水泵出口壓力上升，閥門兩側的壓差將增大，當增大到較大時，不但會造成水泵能量的浪費，而且使得水泵的振動和磨損加大，進而壽命縮短；采用回流支路調節時，大量水的回流也同樣造成能量的消耗，如果用變頻調速控制，將克服上述缺陷，回饋給企業的是良好的經濟效益與社會效益?；诖耍銐汗┧冾l調速控制系統受到各用水部門的普遍重視。

2.恒壓供水變頻控制系統的工作原理

對于一個供水系統，在調速時應考慮兩個問題：一是對系統裝置和水泵進行實際測試和計算，估算出系統效率和節能潛力；二是根據實際情況確定調速方法。

2.1 水泵的基本參數與特性。

水泵被廣泛應用于工業生產供水系統中，它的輸出特性決定于水泵類型，并與供水管網系統的阻力特性有關。

離心泵的H—Q曲線如下圖（圖1）所示：

其特性曲線公式為：

其中，P為泵使用工況點軸功率（KW），Q為使用工況點的水壓或流量（m3/S），H為使用工況點的揚程（m），γ為輸出介質單位體積重量（kg/m3），η為使用工況點的泵效率（%），水泵在運行時，只有在工況A點時，效率才為最高，偏離這個工況點（如B、C），都將使效率降低，水泵在高效區運行，其耗能也將最省。

根據供水泵系統的實際流量：流量Q2和楊程H2及與之相應的水泵使用效率，可計算出泵所需的比較經濟合理的軸功率P0。

整個供水系統所具有的節能潛力為：

W =（P-P0）t ………………………………（3）

其中P為整個系統水泵所消耗的總軸功率（KW），t為水泵的運行時間（小時），供水管網的H-Q曲如圖2所示，管網裝置特性（H-Q）可從閥門全開時測得，各種數據由下式求得：

H2=KQ22+Hj …………………………………（4）

其中Hj為泵進出口水位的高度差（m），其大小與流量無關，K為管路力系數，Q2為流過管網的流量（m3/s）。

圖2中曲線（1）為泵在額定工況和給定速度下運行時的全部揚程、流量點和泵效率點的軌跡，曲線（2）為管網系統閥門全開時阻力特性曲線，即泵要克服水頭摩擦，壓力隨流量的平方而變化。曲線（3）是靜壓高度，它相當于從葉輪中心高度減去在系統中的自然升高。

管網特性曲線與泵特性曲線的交點為泵的正常使用工況點，從管網特性上求得管網實際所需的性能和泵與管網性能的匹配情況，以此作為水泵節能改造的依據。

2.2 水泵調速運行時的節能原理。

圖3中，水泵運行工況點D是泵的特性曲線NN與管路阻曲線R1的交點。

當用閥門控制時，由于要減小流量，關小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R2，揚程則從H0上升到H1，流量從QN減小到Q1運行工況點，從D點移到A點。

當用調速控制時，阻力曲線R1不變，泵的特性取決于轉速，如果將速度從NN降到N1，結果運行工況點從D點移到C點，揚程從H0降到H3，流量從減小到QN減小到Q1。

根據公式（1）求出運行時在A點泵的軸功率為：

在C點泵的軸功率為：

將上兩式相減，則有：

△P即是用控制時節省的功率Q、H、P之間的關系可是寫為：

流量Q與轉速N的一次方成正比，揚程H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，那么轉速N與頻率f是否成正比呢？請看下列公式：

由上列公式不難看出，轉速N與頻率f成正比，因此可得出，軸功率P與頻率f的立方成正比。

3.恒壓供水變頻控制系統的組成與實現方法

下圖（圖4）是一種變頻控制供水系統的結構圖：

系統前向通路由PID和VVVF及M組成，反饋通路是由壓力傳感器組成。VVVF是日本富士公司生少的FRENIC5000系列，主電路是由6個IGBT構成，是典型的“交—直—交”電壓型變頻方式，其調節輸出電壓的脈沖寬度及其頻率由SPWM的方式來完成。

VVVF的內部有非常好的保護功能，在控制電路中，可設計對電壓、電流、流量、壓力、頻率等參數的監控，壓力傳感器的取樣點可盡量靠近泵的出水口，PID參數設定時先將D設為0，再調PI兩參數，以達到最佳匹配，設定值的大小決定了供水流量的大小。

4.恒壓供水變頻控制系統運行使用效果：節能效果好，故障率低，優點頗多

通過對恒壓供水變頻控制系統多年的運行觀察，發現此系統優點頗多：動態響應好，調速精度高，調速范圍寬，輸出特性穩定，故障率低?，F以數據來說明其節能率，下面表格中的數據是年均值。

從上述表格數據可看出，頻率有所下降，轉速也下降，其節能如下所示：

以上數據顯示：恒壓供水變頻控制系統的節能效果非常明顯！