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摘 要：结合实例分析，探讨建筑行业中的变频水泵的控制中的原理与应用中的计算方法。
【关键词】：控制系统 选型 计算实例
1 前言
随着电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术的飞速发展，泵类/风机的控制解决方案呈现多样化、智能化和节能化趋势。为了使得建筑行业的智能化有条有序的进行，本文就就以变频水泵的在现代化建筑中的应用展开讨论。
2 给水水泵变频调速的基本原理
变频调速是通过改变供电电源频率而平滑地调节异步电动机转速的一种方法，按照交流异步电机理论，其转速公式为：
。
其中，n为电动机的转速；f为异步电动机定子电势频率；P为电动机的极对数；S为转差率。
由上式可知，在S不变的情况下（S的变化范围不大，常常忽略不计），电机转速与供电电源的频率成正比。因此只要均匀调节电动机定子绕组频率f，电动机的转速n即随之成正比变化。
3 水泵变频调速节能的分析
根据离心水泵叶轮的比例律可知，水泵变速运行时，其流量，扬程以及轴功率与转速n具有如下关系：∝n，∝n2，∝n3，即流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
当管网系统用户用水量发生变化时，管网系统的水压也发生变化，但由于水具有不可压缩性，所以当管网充满水时，该系统流量的微小变化，会导致管网系统水压的较大变化。现在随着科技的发展，通常通过变频器改变电动机转速来调节水泵的出水量，当水泵的出水量等于用户的用水量时，管网系统的水压就会保持相对的恒定。哪一种方法更节能，节多少能，现分析如下。
图1 阀门调节功耗图 图2 变频调速调节功耗图
图1，图2的性能曲线（Q―H）为水泵在转速时的特性曲线；管路曲线R为管网正常运行时管网的特性曲线；a为水泵的运行工况点。当水泵恒速运行时，如果管网所需水量减小，即要从Q1减小到Q2，须关小阀门，此时管网的阻力变大，管路曲线从R移到R′，由图1可以看出，水泵的扬程也从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。如果水泵变速运行，则不需要关小阀门来调节水泵的流量，因此管路的特性曲线仍为R不变，要使流量由减小到，只需把水泵的转速从n降到n′，此时水泵的性能曲线由（―）变为，由图2可以看出，此时的运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。
根据离心水泵的轴功率公式：
。
其中，P为水泵使用工况轴功率，kW；为水泵使用工况点的流量m3/S；H为水泵使用工况点的扬程，m；g为液体的容重，kg/m3，水的容重=1000kg/m3；η为工况点的水泵效率。
水泵运行在b点的轴功率为：
。
水泵运行在c点泵的轴功率为：
。
两者之差为：
。
如果水泵运行时间为t小时，则电能之差ΔW为：
。
其中，ΔW为水泵在两种运行工况时消耗的电能之差，kW・h；ΔP为功率之差，kW；t为水泵运行的时间，h；h2为电机的效率。
4 水泵变频调速控制系统的控制过程
为了保证管网的最远端或最高层的最不利用户用水，管网系统必须维持一定的水压，这个压力对应变频器的某一输出频率。该信号控制变频器的输出频率，从而使变频器将输入为380V/50Hz的交流电变成输出为0V～380V/28Hz～50Hz连续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。
5 变频调速水泵选型应用时需要注意的事项
1）变频器只能选工频（50Hz）下调的运行方式，因为如果采用可以工频上调（>50Hz）的运行方式，会对水泵轴承提出更高要求。只有特殊情况下才考虑。因此水泵调速主要是降低转速的问题。2）水泵采用变频调速调节流量的方法，是一种有效且节能的方法，这已被许多工程实例所证明，也被普遍接受。3）在实际应用中并不是转速越低，系统就越节能。《民用建筑工程设计技术措施/给排水》（2003年版第2.1.1 ）规定，变频调速不宜低于额定转速的50%，宜处于额定转速的15%～100%范围内。4）变频器对电网雅功功率的冲击较大，一般变频调速装置在额定转速50%时的功率因数为0.3～0.5，所以必须采取电容器补偿装置进行补偿，将功率因素提高到0.15～0.8或以上。5）变频泵供水应配置气压罐。
变频调速水泵的选型计算实例
以某市区一住宅小区为例，介绍如下：该住宅小区的1号～3号楼（均12层）采用一套变频给水装置。
.1 流量确定
每户1厨2卫。
最高用水日的用水量标准取 0=300L/（人・d）；小时变化系数取Kh=2.5；每户用水人数取m=3.1人；用水时间取T=24h；最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率，查《全国民用建筑工程设计技术措施/给水排水》（2003年版）附录A，得：每户给水设计秒流量：0.54L/s，分户管径为32（PP-R管），v=0.53m/s，1000i=110，满足要求。1号～3号楼共230户，给水当量为 .9×230=1581，查《全国民用建筑工程设计技术措施/给水排水》（2003年版）附录A，得：1号～3号楼给水设计秒流量Q=11.2L/s，干管为DN100（衬塑的内外热镀锌钢管），v=1.29m/s，1000i=1 2，满足要求。
.2 压力确定
最不利用水点距离地下室蓄水池最低水位的高程差：3 +1.0=31m；最不利用水点水压：5m；管道总水头损失：2. m；系统压力要求：31+5+2. =44. m，考虑水泵磨损系数为1.1，故生活泵扬程要求44. ×1.1=49.0 m。
.3 水泵选择
选两台生活泵（另加一个备用的），则每台水泵的流量为1.2/2=1.2×0.0112×3 00/2=24.19m3/h，扬程为49.0 m。根据以上计算结果，选用三台型号为 5DL24，额定扬程50m，流量25m3/h，电机功率11kW，满足要求。三台水泵采用一套变频调速恒压供水控制装置。在保证供水管网压力恒定的情况下，根据水流量的大小实现三台水泵的循环软启动。
.4 气压罐的水的调节容积
V。
其中，V 1为气压罐所储备的水容积，m3；为安全系数，取1.2；为管网系统的设计流量，m3/h；n 为水泵在1h内启动的次数，取1次。
。
1 小结
文章通过论述了变频水泵的工作原理，考虑工作工程中的注意事项，给出了在具体环境下的实施方案。这也是现代化建筑中的一大关键，为了保证现代化建筑的更舒适的需求，我们的控制应用技术仍需不断提高。
参考文献：
[1]李生民等.变频恒压供水系统新型控制方法[J].变频器世界，2009（1）：34～31
[2]马金.建筑给水排水工程[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3]ACS固件手册-ACS800泵和风机控制（PFC）应用程序1.x（REVA）.北京ABB电气传动系统有限公司.2002.1.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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发表于 2020-6-21 10:56:37
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