变频器在水泵控制中的应用与节能

方红云

【摘 要】随着社会经济快速发展，我国目前已经遭遇了严峻的资源危机，特别是能源方面，为了节能减排，保护环境，火电厂发电量减少。因此，各行各业必须要要找到新能源进行绿色经济的发展。与此同时，我国的变频节能技术发展很快，目前已经在很多生产领域都有了广泛且深入的应用。其中应用最广泛的当属工业供水行业。在水泵控制中采用变频器，不仅能进行整体调控还可以减少生产能耗损失。变频节能技术还有着高自动化能动性。不过在工业供水的实际应用中对于节能变频装置的选择可把控是非常重要的，不然就无法实现节能的目的。本论文着重分析研究了在水泵中，变频器的实际应用以及节能方法，并总结归纳出了一些变频器在水泵控制中如何更好实现应用和节能的方法建议。

【关键词】变频器控制；水泵；节能措施；实际应用

伴随着科學技术的发展进步和广大人民群众对于生活质量需求的日益提升，人们对于日常生活供水就有了更多诉求。供水质量与供水系统是有着紧密联系的，这就要求相关技术人员不断提升供水系统的质量了。供水系统中水泵的重要性更是不言而喻的。在我国各行各业中水泵的广泛也是应用数量最多的。采用变频恒压控制方式来控制水泵的使用，在我们的日常生活用水，消防用水以及工业生产用水等领域中，都得到了大范围的使用。现在被广泛应用的变频恒压控制水泵方式和传统的供水方式相比，有不可比拟的优势。其中最大的问题就是，采取传统控制方式控制水泵在实际生产中往往存在电能浪费过多的问题。目前我国正在加大力度推行实施资源节约型社会的建设，而采用将变频器运用到用到控制水泵的工作中来，可以对水泵的运行进行掌控，还可以降低能耗损失。论文着重分析研究了变频器在水泵控制中的实际使用操作方法和节能原理，并总结归纳了出了一些变频器在水泵控制中如何更好实现应用和节能的方法建议，以供参考和交流。

一、电机变频调速的原理

我们先来了解一下变频器的概念。在传统的水泵系统中转速是确定的，而水泵的出水量主要则是通过阀门实行操控。传统水泵系统的缺点就在于不够灵活，而且也会导致出现大规模的能源损耗。而电机变频调速就是在水泵控制中采取电机变频调速来实现。这样一来便可应用变频器变频调速技术对水泵的转速进行调节，还能影响水泵和管道相互之间阻力大小，就能实现控制出水量的目的，最终达到降能减耗的目的。在常见的水泵系统中，动力的主要来源是电机，电机的转速和频率之间是成正比的，转速则与电机的绕子对数是成反比的。所以在操作变频器的时候要确保电机饶子对数不变化，对发动机的频率进行实时调整，以此达到掌控发动机的转速。对发动机转速进行调控，就能实现控制水泵降能减耗的最终目的。

电机变频调速具体理论原理如下：通常电机采用的都是三相交流电源，也就是三相交流异步电动机，而电机同步转速和电源频率、电机转速、磁极对数和电源频率的关系公式是： n=60f/p，n表示电机的同步转速，f代表电源频率，p 则为电机磁极对数，如前文所述电机的同步转速与电源频率成正比例（或线性）关系的。保持n不变，改变电源频率 f 时就能改变电机的同步转速。通常情况下电机运行时的实际转速就近似是等于同步转速的，所以也可以认为电机的实际转速也是遵照上面这个公式的。而电机和泵之间通过硬联轴器是连接到一起的，所以电机和水泵的实际转速就是一样的。那么也就是可以利用变频器对供电电源的频率进行调整，就能实现对水泵的转速进行调节。变频控制器通常可以选择PLC或者是单片机。PLC优点是费用低，开发周期短，短时间内就能用，但价格贵一些。单片机可靠性较好，控制功能强，而且造价也比较便宜。在实际生产中大多是采取单片机作为控制器[1]。但对工业生产功率比较大的控制上，还是采用PLC与变频器配合控制更安全合理，因此，在工业生产线上水供给用的也是比较广的。例如硫酸生产、化工产品生产、石棉瓦生产线等。

二、水泵使用变频器控制时节省费用的情况

（一）采用变频器控制水泵的省电分析

水泵的电机功率公式如下：P=pgQH/（n1n2），Q代表流量，H则是扬程，p、g、n1、n2这几个都是常数，从此公式可以得出水泵的流量Q和水泵的转速是成正相关的，而水泵扬程H和水泵转速则为二次方的关系。因此可以得出结论，水泵的电机功率P和水泵转速是立方关系的。比方说有一台水泵的电机额定功率是45kW，那么电机转速降至原来转速的0.9倍时，电机功率则变成了32.8kW，从此来算可以节省的电能比例可以达到27.1%；而当电机转速下降到原转速的0.6倍的时候，电机功率仅9.72kW，节省电能的比例可以的高达78.4%[2]。利用变频器来进行水泵控制，就能实现节省电能的目的了。

（二）变频器功率因数补偿作用的节省分析

根据电路分析基础理论我们便知道，在电力系统中无功功率主要会造成的影响是会增加线损。而若是电力系统变压器额定容量保持不变，那么降低系统功率因数就会导致有功功率的降低，从而大大减弱变压器的承载能力。有公式：有功功率=视在功率×功率因数，从该公式我们可以得知，变压器的视在功率保持不变，则功率因数越大输出的有功功率就越大。在采用变频器对对水泵的电机进行调速控制之后，变频器内部是采用了大容量的滤波电容，此种情况下水泵电机的功率因数可增大至无限接近1，从而大大的降低了无功功率的占用。电网的有功功率负荷和变压器的带载能力因此都得到了很大的提升。而据之前的数据统计显示，在未使用变频器时，普通电机的功率因数通常仅在0.6到0.8之间[3]。

（三）变频器软启动功能的降本作用分析

三相异步交流电机若是使用的直接启动或是星三角降压的启动方式，在启动的瞬间，产生的电流就能高达5到7倍于额定电流，如此高的电流，对水泵电机本身和整个供电网络都会产生严重的冲击损伤。不仅如此，电机直接启动时所产生的巨大冲击力，还会对水泵和管道产生严重危害，还会减少机械设备的使用寿命。利用变频器对水泵进行控制，变频器的启动过程是一个软启动的过程，启动电流是从0开始缓慢的递增的，电机的整个启动过程都不会出现突然上升的电波，电流缓慢增长到特定值时就会稳定。因此对电网几乎是不会造成电流冲击，同时还延长了电机、水泵、管路等的使用寿命，也减少了设备部件的后期维护检修次数。

三、水泵变频调速系统的构成和设计

变频器系统主要组成部分是两个，一个是硬件系统，另一个是软件系统组成，硬件系统是能将水泵与变频器实现直接对接再实行操作，主要包括变频器、可编程控制器（PLC）和检测传感器（如压力传感器）等等；软件系统则是指变频器的参数设置，依照实际工作情况对参数进行调整达到不同的控制效果，通常指PLC中的控制程序以及变频器的参数设置等。例：恒压供水系统，因有一此知识产权保护，我就不提供PLC控制程系和变频器参数调整的数值（变频器参数调整的数值要根据具体需要设置）。

（一）硬件构成

第一步是做好硬件组成的设计准备工作。主要包括电力电线通信和变频器的选项工作。要根据设计系统的控制功能、I/O点数等，挑选对应型号的主控配件，还要做好I/O接线和电气设备控制原理的工作。另外还要对厂房环境进行检测。

首先是环境温度，额定温度设置在27±2℃，上限为29℃，下限为25℃，中央空调开停基数则设定为27℃，一般情况只开一台机组进行工作，以免造成温度变化过大。另外还要根据循环风进出温度差来设定好循环水泵和风机的数目和开停工作。还有对系统运行中的冷煤排气压力进行设定，压力值应当小于等于28Mpa，吸气压力则要小于3Mpa，这样的压力设定可以降低机组出现问题故障的概率。最后还要给控制系统配上对应的设备装置。

（二）软件设计

软件设计当以水泵的实际运转情况为基础，设定不同控制程序，对变频器设置不同参数值，只有保证一定的数据变量，才能给硬件系统供以科学的定量数据，进而帮助变频器对水泵实现控制达到节能减耗的目的。比如：B1-02=1，可以保障数据输入的顺序，B5-09=0，就可以约束输出数据保持在正向状态等。

四、变频器在实际水泵控制系统中的应用

水泵运转主要是依靠变频器来控制运转速度。在水泵系统控制中运用变频器就能对水泵系统实现闭环控制。主要是通过在水泵出水管路中加装流量或压力传感器设备，实时收集管道的压力和流量数据，再提交到 PLC 控制器，将实际数据和系统给定的额定参数进行对比，在PLC 控制器的对比计算之后，将调控信号输出到变频器。变频器在对动力电源频率 f进行调整，实现对水泵转速 n的控制，从而进行水泵运行情况的实时调控。水泵若是采取的阀门控制装置，泵的扬程就有一部分需要克服阀门阻力，就会导致部分功率被浪费掉，而阀门开度越小受到的阻力就越大，因此消耗的功率也会越多。根据目前我国的热网循环泵、补水泵以及稳压泵的实际应用情况可以看出，在具体的生产实践过程中，很多时候是需要对阀门进行频繁的启动和关闭动作，这些操作来说，非常容易就造成极大的电力能源损耗，这也不符合目前社会的节能性要求。针对这个问题，通过使用变频器确实是能够发挥较好的节能目的，从而可以大大减少因为阀门开关所造成的能源损耗。同时在变频器的实际应用过程中，变频器具有的调速功能，在很大程度是可以帮助减少不必要的能源的使用。从而达到更好的节能目的。对于这种变频器在水泵控制中的应用来说，从技术层面来分析，目前最常见的且能满足实际需求的两种技术分别是单片机技术和PLC控制技术[4]。这两种技术都能够在较大程度上提升水泵变频控制的精度和准确性，也可以保障水泵的正常工作运转。

五、结语

从上文对变频器水泵控制中的应用与节能的具体分析可以知道，在目前的水泵发展历程中， 若能对变频器进行合理，科学的使用，是能够发挥出很大的作用的。不仅可以实现对水泵的较高的控制水平，还能在一定程度上达到节能减耗的作用。通过使用变频器能产生这么多的好处和作用，因此可以说做好变频器在水泵控制中的应用是非常有必要的，。当然伴随着我国水泵技术的革新和发展，對变频器也应该有改革和创新，这样才能提升变频器在实际工作中的使用价值和效果，对应节能减耗的效果提升工作，更应当进行针对性的研究发展。想要进行科技改革创新，对于相关科研人员的要求也会有所提高。不仅是要增强对变频技术的研究， 还应当针对水泵控制机制实现严密分析探索，确保变频器可以更好地适应于水泵调控工作环节， 从而实现最佳的控制， 而变频控制水平的提高也必定会增强水泵的节能减耗的效果。

【参考文献】

[1]张玉梅，张九妹，杜建军.变频器常见故障的分析与处理[J]. 矿山机械. 2011（11）：28-30.

[2]胡迪芳，马剑.高压变频器在循环水泵中的应用[J]. 变频器世界. 2010（09） ：12-16.

[3]谭有广，刘峰，许郢.应用能源技术.水泵的变频调速节能原理分析[J]. 2004（03） ：41-44.

[4]刘松，巩固，变频技术在水泵控制系统中的应用[J]，山东煤炭科技，2011（05）：36-38.