盧美鴻， 伍路旺

(1.昆山登云科技職業(yè)學院，江蘇 昆山215300；2.昆山恒睿測控軟件技術有限公司，江蘇昆山215300)

中央水泵房變頻控制系統(tǒng)設計

盧美鴻1， 伍路旺2

(1.昆山登云科技職業(yè)學院，江蘇 昆山215300；2.昆山恒睿測控軟件技術有限公司，江蘇昆山215300)

在某些排水系統(tǒng)中經常采用中央水泵房，根據排水方式的不同，排水系統(tǒng)需要設置一個或多個中央泵房，每個泵房內設置多臺主排水泵。目前，主排水泵存在運行效率及自動化程度低、管理困難等問題。針對上述問題，設計了一套變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用變頻自動控制技術，提高了水泵的運行效率。

中央水泵房；變頻自動控制技術；運行效率；系統(tǒng)設計

1 水泵變頻自動控制原理

傳統(tǒng)的主排水泵單臺設備裝機容量達幾十至幾千千瓦，是工業(yè)、農業(yè)、林業(yè)等一些系統(tǒng)的主要耗能設備，排水用電量一般占總用電量的30%以上。目前，這些系統(tǒng)的主排水泵控制大多采用傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場操作，采用直接或降壓啟動，工頻運行的方式[1]，這種控制方式主要存在以下幾方面的問題。

(1)水泵在使用過程中運行效率隨電網系統(tǒng)、供電參數(shù)和水泵磨損情況等因素的變化而變化，導致水泵大多在低效區(qū)運行。

(2)水泵直接啟動對電網沖擊大，容易引發(fā)事故或影響其他設備的穩(wěn)定運行。

(3)水泵啟動和停止由人工現(xiàn)場操作，自動化程度低，加之保護裝置不完善，容易出現(xiàn)誤操作，而且當設備發(fā)生故障或水倉發(fā)生滿水等情況時不易被發(fā)現(xiàn)，釀成事故的發(fā)生。

(4)當發(fā)生水害險情時，司泵人員及設備維護人員必須在現(xiàn)場進行操作和值守，使工作人員置身于危險境地，容易發(fā)生傷亡事故。

(5)人工操作方式增加了管理難度，不便于采取“避峰就谷”用電措施，造成粗放用電，也不便于實現(xiàn)系統(tǒng)排水的自動化、數(shù)字化管理。

研發(fā)的這套水泵房節(jié)能自動控制系統(tǒng)可進行水泵的變頻控制，實現(xiàn)水泵自動開停，對泵房內所有水泵均能按變頻控制和工頻控制方式切換，實現(xiàn)水泵運行狀態(tài)的監(jiān)測監(jiān)控及設備保護[2]。本文主要介紹水泵房節(jié)能自動控制系統(tǒng)中最主要的變頻控制部分，水泵變頻自動控制原理如圖1所示。

圖1 水泵變頻自動控制原理

2 水泵變頻節(jié)能可行性分析

水泵由交流異步電機驅動，其運行效率取決于運行 “工作點”。水泵的“工作點”為水泵的運行特性曲線與水泵運行配套管網特性曲線的交點，其對應的效率為水泵的運行效率。從節(jié)能的角度出發(fā)，我們希望水泵盡可能地運行在其最高效率點所對應的“工作點”上，但實際中水泵運行的“工作點”往往遠離最高效率對應的“工作點”，而且其偏離值是動態(tài)的[3]。水泵“工作點”曲線圖如圖2所示。

圖2 水泵“工作點”曲線圖

下面分析影響水泵運行“工作點”的幾個主要方面。

(1)水泵選型的影響。在進行水泵選型時，首先在理論上并未將水泵“工作點”選在最大效率點上，而是使運行效率≥0.85就可以，這說明水泵選型時就存在提高其運行效率的空間。其次，在選型時往往考慮一定的富余揚程，這部分富余揚程則轉化為水流的動能，使“工作點”處于低效區(qū)，造成能量浪費。實際工作中在正常涌水量情況下不需要注重水泵流量大小，應注重排水效率以降低電耗。

(2)供電系統(tǒng)中電壓波動的影響。根據電機原理，交流異步電機轉矩與輸入電壓的平方成正比，輸入電壓出現(xiàn)微小的波動都會引起電機轉矩較大的變化，從而引起水泵轉速的變化，水泵的“工作點”也將發(fā)生位移，其對應點的效率就發(fā)生了變化。事實上，當大容量用電設備較多時，其用電負荷也很不穩(wěn)定，往往引起供電系統(tǒng)電壓發(fā)生較大波動，而且很頻繁。

(3)排水管網特性發(fā)生變化的影響。首先，系統(tǒng)中主要排水系統(tǒng)往往由多臺水泵、多條管路組成，泵與泵之間共用管路和管路間相互關聯(lián)的情況較為普遍，因此水泵運行時使用不同的管路就會有不同的管網特性，水泵運行臺數(shù)不同，其管網特性也不同，因此水泵運行“工作點”也不同。其次，管網上的控制閘閥開度大小也會引起“工作點”位移。再次，水泵在日常使用過程中其零部件發(fā)生磨損和腐蝕，使水泵本身的效率降低，因此其固有特性曲線也會發(fā)生變化，造成“工作點”發(fā)生漸變。

水泵的“工作點”發(fā)生位移是隨時發(fā)生的，水泵運行效率則隨之而變化，往往造成水泵運行在低效區(qū)。根據實際測定，系統(tǒng)中的主排水泵運行效率一般為50%～70%，因此提高水泵運行效率還有較大的空間。

本變頻控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對水泵運行“工作點”的自動調整，使水泵始終運行在效率最高點，從而達到節(jié)能的目的。

3 水泵變頻控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結構

水泵由交流異步電機驅動，變頻控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對電機的變頻控制，其主要由變頻器、PLC控制器、壓力傳感器及流量傳感器、電流互感器、電壓互感器及其他輔助部件組成。變頻控制系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 變頻控制系統(tǒng)結構

3.2 系統(tǒng)工作原理

安裝在水泵出口的流量和壓力傳感器可對水泵流量和靜壓力進行在線檢測，并將檢測到的數(shù)據輸入到PLC控制器，計算出排水系統(tǒng)的實際排水功率。安裝在電機電源端的電流、電壓表可測量出水泵電機的電流和電壓值，并輸入到PLC控制器，計算出電機輸入電功率。PLC控制器通過對輸入、輸出功率進行比較，得出排水系統(tǒng)的實時效率，實現(xiàn)對排水系統(tǒng)運行效率的實時監(jiān)測。

(1)交流異步電機輸入功率P1=3UIcosφ；

式中：p為泵的實際輸出壓力(MPa)；Qac為水泵實際流量(L/min)。

3.3 排水系統(tǒng)最大效率點的跟蹤

水泵在啟動過程中，變頻器的頻率從零逐步升至設定的最高頻率(一般設定為不超過工頻的5%)，水泵的轉速也相應升高，控制系統(tǒng)對排水系統(tǒng)效率進行在線檢測，若水泵達到最高轉速后，排水系統(tǒng)效率一直上升(無拐點)，說明排水系統(tǒng)仍未達到效率最高點，水泵即穩(wěn)定運行在最高轉速，暫無調速的必要。若在啟動過程中水泵效率超過了效率曲線的最高點(拐點)，則PLC控制器輸出信號，使變頻器輸出頻率由最高頻率逐步變小，直至水泵轉速穩(wěn)定在效率最高點。當排水系統(tǒng)受到某一因素影響而使水泵的“工作點”發(fā)生位移，排水效率也隨即發(fā)生變化，通過與最高效率比較，若其偏差超過設定偏差值，這時控制系統(tǒng)輸出控制信號，使變頻器的頻率發(fā)生改變，經過由高頻向低頻和由低頻向高頻的定位過程，重新找準最高效率點，并且穩(wěn)定運行在新的“工作點”上，即完成最高效率點的跟蹤。當再次發(fā)生“工作點”位移時則重復上述過程，因此排水系統(tǒng)始終處于最高效率運行區(qū)域。

[1] 趙義，于文華，宋楊，等.多級離心泵性能的探討[J].林業(yè)機械與木工設備，2011(12).

[2] 孫曉磊，張全柱，鄧永紅.礦用變頻器SPWM差模輸出電壓諧波分析[J].電氣傳動，2015(8).

[3] 楊瑞，王毅.高壓共軌電控柴油機噴油器試驗臺研究[J].森林工程，2014，30(5)：102-105.

(責任編輯 張雅芳)

Design of Variable Frequency Control System for Central Water Pump Houses

LU Mei-hong1， WU Lu-wang2

(1.Kunshan Dengyun Science and Technology Vocational Technical College，Kunshan Jiangsu 215300，China； 2.Kunshan Hengrui Measurement and Control Software Technology Co.，Ltd.，Kunshan Jiangsu 215300，China)

Central pump houses are often used in some drainage systems and based on different ways of drainage，it is necessary to provide one or more central pump houses，with a number of main drainage pumps arranged in each pump house.At present，main drainage pumps have the disadvantages of low running efficiency，low degree of automation and management difficulties.To solve the abovementioned problems，a variable frequency control system is designed.This system uses automatic frequency conversion control technology，improving the running efficiency of water pumps.

central pump house；automatic frequency conversion control technology；running efficiency；system design

2016-09-26

盧美鴻(1981-)，女，江蘇海安人，碩士研究生，講師/工程師，主要研究方向為電氣控制，E-mail：58745145@qq.com。

TS642

A

2095-2953(2017)01-0038-03