水泵电机节水器的设计

魏 乔/河南工业大学工程训练中心

水泵电机节水器的设计

魏 乔/河南工业大学工程训练中心

我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1／3。由此可见，在现代工业生产及居民生活中，水泵应用范围极为广泛。用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多。存在“大马拉小车”的现象。效率低下。造成电能的大量浪费。在不更换原水泵的情况下，在现有水泵电机上加装节电器，采用变频技术对其进行变频改造，通过改变运行频率来改变转速，则可节约大量的电能。

水泵电机；变频调速；节电

一、系统设计的意义

随着变频技术的发展以及人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高，水泵电机节电器以其节能、环保和高品质的供水特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。水泵电机节电器的调速系统可以实现水泵电机的无级调速，根据电流的变化自动调节系统的输出，保持水压的恒定以满足节电效果及用水要求，同时具有各种保护功能。

本文研究设计的水泵电机节电器可以用于居民小区、企业、医院、机场等场所的生活用水的控制，也可以用于各类型的自来水厂、增压泵站，供热空调循环用水系统、工业锅炉补水系统，化工、制冷空调和其他工业及民用领域。

下面用一个例子对水泵电机节电器的设计进行具体阐明。例：运用水泵电机节电器对一居民小区4栋7层楼，居住224户，住宅类型为3型(有给水卫生器具，并有淋浴设备)进行节电供水。保证日夜供水。对于这个例子，系统的电气组成框图如图1所示。

二、系统的设计

（一）系统主要设备的选择

1．PLC的选择。

PLC是整个水泵电机节电器控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，以日本三菱PLC为例，该PLC有FX、A、Q三大系列，结合我们节电供水系统输入/输出点数不是特别多的特点，我们只要选择FX一IN就可以了(FX一ZN的性能优于FX一IN)。

2．变频器类型的选择。

结合该工程项目设计过程与经验，以负载的要求为主要宗旨对变频器的类型进行选择：

（1）对于恒转矩负载，因其在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，可选用基于异步电动机恒压频比控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器；

（2）如果被控对象具有一定的动态、静态指标要求，这类负载一般要求在低速时也要有较硬的机械特性，因而可采用基于异步电动机开环控制的无转速反馈矢量控制功能的变频器；

（3）如果被控对象具有较高的动态、静态指标要求，且对于调速精度和动态性能指标都有较高要求，可采用带速度反馈的矢量控制方式的变频器，或者采用恒转矩功能型的闭环控制变频系统；

3.变频器参数的选择 。

（1）变频器容量的选择

变频器容量的选择，可按照电动机的额定容量进行选则。对于一般的恒转矩负载，变频器的容量可比电动机的容量放大一级，比如，90kW 的电动机可以选用 110kW的变频器。如果过载能力较大，必要时可将变频器的容量放大一倍；针对风机和泵类负载，由于过载要求较低，一般可直接按照电机的额定功率作为最终选择的依据，不必进行放大。

（2）变频器额定电流的选择

在对启动时间要求不高的情况下，出于多方面的考虑，所选择变频器的标称功率可能小于电动机额定功率。但是由于较低变频器容量不仅会降低稳定运行的功率，也会降低最大过载转矩，甚至引起启动困难，因而实际选择时，恒转矩负载的变频器标称功率不应小于电动机额定功率的 80％；而风机和泵类负载不应小于 65％ 。

4.确定用水标准。

根据4栋7层楼，居住224户，住宅类型为3型进行节电供水统计可知，该居民小区的用水标准取0.13～0.19m3/人日（取0.19m3/人日）。

5.确定每小时最大用水量。

根据4栋7层楼，居住224户，住宅类型为3型进行节电供水相关参数的统计可知，该小区每小时最大用水量为43.80m3/h

6.确定水泵、变频器的型号。

由设定供水压力经验数据：

平房供水压力p=0.12MPa；楼房供水压力

p=（0.08+0.04×楼层数）MPa可确定该小区供水压力值为：

P=（0.08+0.04×7）=0.36MPa。

根据供水扬程计算公式：H=P/0.01=0.36/0.01=36m

式中，H为供水扬程；P为供水压力；0.01MPa为1m的供水压力。

由下表1-3确定水泵型号为50LG24-20×2共2台，水泵自带电动机功率为5.5 KW，选用三恳力达 SAMCO-vm05变频器SPF-5.5K，配接SWS供水基板，容量为5.5KW。

注： 50LG24-20×2

50 - 泵进出口直径 (mm)

LG - 立式多级分段式离心泵

24 - 泵设计流量 (m3/h）

20 - 泵设计点单级扬程 (m)

2 - 级数

查5.5KW电机的铭牌：额定电压380v；额定电流11.1A ；功率因数0.88。测试电机空载电流为2A。设电流上限为：11.1A；电流下限为∶2A。可以选用ABB的LNP3 15/20mA的电流互感器。三肯 SPF-5.5K 通用变频器

7.电气原理图设计。

图2 水泵电机节电器的电气原理图

在图2所示，当系统选择变频控制时，SB1，SB2分别控制电机M1的启动和停止。当系统选择工频控制时，SB3，SB4分别控制电机M2的启动和停止。KM3为保护继电器，电流互感器采集的电机工作电流经A/D转换后得到反馈信号，反馈信号经过PLC的处理来控制变频器；当电机电流达到电流上限值时，PLC控制继电器KM3，电机M1停止并控制Y4报警。

（二）系统的软件程序设计

根据系统的控制要求设计出部分控制程序：

1.FX2N PLC通过RS485模块与变频器通讯的部分程序：

2.FX2N PLC控制的部分程序：

三、结论

通过一个应用实例阐述了水泵电机节电器的硬件，硬件功能以及硬件功能的选择；分析设计了水泵电机节电器的软件；本系统共有2台5.5kW的水泵电机，假设按每天运行16小时，其中4小时为额定转速运行，其余12 h为80％额定转速运行，一年365天节约电能为：

W = 5.5×12×[1-（80/100）3]×365 = 11756kW.h

若每1kW.h电价为0.60元，一年可节约电费：

0.60×11756=7053.6元

可见，对传统供水系统进行改造，按现在的市场价格，一年即可收回投资。以后多年运行经济效益十分可观，因此本系统的设计具有非常重要的意义。

通过研究，本文采用变频器和PLC实现水泵电机节电。对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，并通过计算说明了本文研究设计的水泵电机节电器实现的节电效果。