卢美鸿， 伍路旺

(1.昆山登云科技职业学院，江苏 昆山215300；2.昆山恒睿测控软件技术有限公司，江苏昆山215300)

中央水泵房变频控制系统设计

卢美鸿1， 伍路旺2

(1.昆山登云科技职业学院，江苏 昆山215300；2.昆山恒睿测控软件技术有限公司，江苏昆山215300)

在某些排水系统中经常采用中央水泵房，根据排水方式的不同，排水系统需要设置一个或多个中央泵房，每个泵房内设置多台主排水泵。目前，主排水泵存在运行效率及自动化程度低、管理困难等问题。针对上述问题，设计了一套变频控制系统，该系统采用变频自动控制技术，提高了水泵的运行效率。

中央水泵房；变频自动控制技术；运行效率；系统设计

1 水泵变频自动控制原理

传统的主排水泵单台设备装机容量达几十至几千千瓦，是工业、农业、林业等一些系统的主要耗能设备，排水用电量一般占总用电量的30%以上。目前，这些系统的主排水泵控制大多采用传统的人工现场操作，采用直接或降压启动，工频运行的方式[1]，这种控制方式主要存在以下几方面的问题。

(1)水泵在使用过程中运行效率随电网系统、供电参数和水泵磨损情况等因素的变化而变化，导致水泵大多在低效区运行。

(2)水泵直接启动对电网冲击大，容易引发事故或影响其他设备的稳定运行。

(3)水泵启动和停止由人工现场操作，自动化程度低，加之保护装置不完善，容易出现误操作，而且当设备发生故障或水仓发生满水等情况时不易被发现，酿成事故的发生。

(4)当发生水害险情时，司泵人员及设备维护人员必须在现场进行操作和值守，使工作人员置身于危险境地，容易发生伤亡事故。

(5)人工操作方式增加了管理难度，不便于采取“避峰就谷”用电措施，造成粗放用电，也不便于实现系统排水的自动化、数字化管理。

研发的这套水泵房节能自动控制系统可进行水泵的变频控制，实现水泵自动开停，对泵房内所有水泵均能按变频控制和工频控制方式切换，实现水泵运行状态的监测监控及设备保护[2]。本文主要介绍水泵房节能自动控制系统中最主要的变频控制部分，水泵变频自动控制原理如图1所示。

图1 水泵变频自动控制原理

2 水泵变频节能可行性分析

水泵由交流异步电机驱动，其运行效率取决于运行 “工作点”。水泵的“工作点”为水泵的运行特性曲线与水泵运行配套管网特性曲线的交点，其对应的效率为水泵的运行效率。从节能的角度出发，我们希望水泵尽可能地运行在其最高效率点所对应的“工作点”上，但实际中水泵运行的“工作点”往往远离最高效率对应的“工作点”，而且其偏离值是动态的[3]。水泵“工作点”曲线图如图2所示。

图2 水泵“工作点”曲线图

下面分析影响水泵运行“工作点”的几个主要方面。

(1)水泵选型的影响。在进行水泵选型时，首先在理论上并未将水泵“工作点”选在最大效率点上，而是使运行效率≥0.85就可以，这说明水泵选型时就存在提高其运行效率的空间。其次，在选型时往往考虑一定的富余扬程，这部分富余扬程则转化为水流的动能，使“工作点”处于低效区，造成能量浪费。实际工作中在正常涌水量情况下不需要注重水泵流量大小，应注重排水效率以降低电耗。

(2)供电系统中电压波动的影响。根据电机原理，交流异步电机转矩与输入电压的平方成正比，输入电压出现微小的波动都会引起电机转矩较大的变化，从而引起水泵转速的变化，水泵的“工作点”也将发生位移，其对应点的效率就发生了变化。事实上，当大容量用电设备较多时，其用电负荷也很不稳定，往往引起供电系统电压发生较大波动，而且很频繁。

(3)排水管网特性发生变化的影响。首先，系统中主要排水系统往往由多台水泵、多条管路组成，泵与泵之间共用管路和管路间相互关联的情况较为普遍，因此水泵运行时使用不同的管路就会有不同的管网特性，水泵运行台数不同，其管网特性也不同，因此水泵运行“工作点”也不同。其次，管网上的控制闸阀开度大小也会引起“工作点”位移。再次，水泵在日常使用过程中其零部件发生磨损和腐蚀，使水泵本身的效率降低，因此其固有特性曲线也会发生变化，造成“工作点”发生渐变。

水泵的“工作点”发生位移是随时发生的，水泵运行效率则随之而变化，往往造成水泵运行在低效区。根据实际测定，系统中的主排水泵运行效率一般为50%～70%，因此提高水泵运行效率还有较大的空间。

本变频控制系统主要实现对水泵运行“工作点”的自动调整，使水泵始终运行在效率最高点，从而达到节能的目的。

3 水泵变频控制系统的实现

3.1 系统结构

水泵由交流异步电机驱动，变频控制系统可实现对电机的变频控制，其主要由变频器、PLC控制器、压力传感器及流量传感器、电流互感器、电压互感器及其他辅助部件组成。变频控制系统结构如图3所示。

图3 变频控制系统结构

3.2 系统工作原理

安装在水泵出口的流量和压力传感器可对水泵流量和静压力进行在线检测，并将检测到的数据输入到PLC控制器，计算出排水系统的实际排水功率。安装在电机电源端的电流、电压表可测量出水泵电机的电流和电压值，并输入到PLC控制器，计算出电机输入电功率。PLC控制器通过对输入、输出功率进行比较，得出排水系统的实时效率，实现对排水系统运行效率的实时监测。

(1)交流异步电机输入功率P1=3UIcosφ；

式中：p为泵的实际输出压力(MPa)；Qac为水泵实际流量(L/min)。

3.3 排水系统最大效率点的跟踪

水泵在启动过程中，变频器的频率从零逐步升至设定的最高频率(一般设定为不超过工频的5%)，水泵的转速也相应升高，控制系统对排水系统效率进行在线检测，若水泵达到最高转速后，排水系统效率一直上升(无拐点)，说明排水系统仍未达到效率最高点，水泵即稳定运行在最高转速，暂无调速的必要。若在启动过程中水泵效率超过了效率曲线的最高点(拐点)，则PLC控制器输出信号，使变频器输出频率由最高频率逐步变小，直至水泵转速稳定在效率最高点。当排水系统受到某一因素影响而使水泵的“工作点”发生位移，排水效率也随即发生变化，通过与最高效率比较，若其偏差超过设定偏差值，这时控制系统输出控制信号，使变频器的频率发生改变，经过由高频向低频和由低频向高频的定位过程，重新找准最高效率点，并且稳定运行在新的“工作点”上，即完成最高效率点的跟踪。当再次发生“工作点”位移时则重复上述过程，因此排水系统始终处于最高效率运行区域。

[1] 赵义，于文华，宋杨，等.多级离心泵性能的探讨[J].林业机械与木工设备，2011(12).

[2] 孙晓磊，张全柱，邓永红.矿用变频器SPWM差模输出电压谐波分析[J].电气传动，2015(8).

[3] 杨瑞，王毅.高压共轨电控柴油机喷油器试验台研究[J].森林工程，2014，30(5)：102-105.

(责任编辑 张雅芳)

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

卢美鸿(1981-)，女，江苏海安人，硕士研究生，讲师/工程师，主要研究方向为电气控制，E-mail：58745145@qq.com。

TS642

A

2095-2953(2017)01-0038-03