1 概述

總的說(shuō)來(lái)，運(yùn)用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行控制是最有效的節(jié)能方式。在ABB 變頻器的水泵控制應(yīng)用中，通常會(huì)采用PFC 應(yīng)用宏、SPFC 應(yīng)用宏，這兩種控制都是一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵的應(yīng)用。

本文將要介紹的IPC(Intelligent Pump Control)，即智能泵控制技術(shù)，是一個(gè)可選軟件包，用于ABB工業(yè)傳動(dòng)ACS800的水泵控制，它要求每臺(tái)水泵都由一臺(tái)變頻器來(lái)拖動(dòng)，功率范圍從0.55~5 600 kW。如圖1所示，3臺(tái)變頻器拖動(dòng)3臺(tái)并行水泵，變頻器之間采用光纖連接或光纖分配器連接。這一配置消除了對(duì)外部PLC 的需求，并且有助于節(jié)能，可縮短檢修時(shí)間，防止水泵堵轉(zhuǎn)和堵塞。該軟件由ABB開(kāi)發(fā)，易于使用，滿足了水行業(yè)及泵用戶的需要。

1.1 泵的特性與節(jié)能原理

泵類負(fù)載是目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用最多的設(shè)備，雖然泵的特性多種多樣，但是主要以離心泵為主。下面的特性分析也主要以分析離心泵的特性為主。利用通用變頻器對(duì)泵進(jìn)行控制，主要通過(guò)對(duì)其流量的控制而實(shí)現(xiàn)有效地節(jié)能，這是通用變頻器最廣泛的一種應(yīng)用。

泵是一種平方轉(zhuǎn)炬負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量q、揚(yáng)程h及泵的軸功率N的關(guān)系為

上述公式，泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵時(shí)，電動(dòng)機(jī)的軸功率P(kW)方式為

泵的流量q 與揚(yáng)程h 的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖中，曲線①為泵在轉(zhuǎn)速n1下?lián)P程-流量(h-q)的特性;曲線⑤為泵在轉(zhuǎn)速n2下的(h-q)特性;曲線②為泵在轉(zhuǎn)速n1下的功率(P-q)特性;曲線③、④為管阻

特性。假設(shè)泵在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)A 點(diǎn)效率最高，輸出流量q 為100%, 此時(shí)軸功率P1與q1、h1的乘積面積Ah1Oq1成正比。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，當(dāng)流量從q1減小到q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)閥門(mén)方法(相當(dāng)于增加管網(wǎng)的阻力)，使管阻特性從曲線③變到曲線④，系統(tǒng)由原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)A 變到新的工作點(diǎn)B 運(yùn)行。此時(shí)，泵揚(yáng)程增加，軸功率P2 與面積Bh2Oq2成正比。如果采用變頻器控制方式，泵轉(zhuǎn)速由n1 降到n2 ，在滿足同樣流量q2的情況下，泵揚(yáng)程h3 大幅降低，軸功率P3 與面積Ch3Oq2成正比。軸功率P3和P1、P2相比較，顯著減小，節(jié)省的功率損耗ΔP與面積Bh2h3C成正比，節(jié)能的效果是十分明顯的。這也就說(shuō)明了變頻器在泵控制中的節(jié)能作用。

1.2 泵、電機(jī)、變頻器的效率

恒壓供水系統(tǒng)的總體效率是由多種因素所決定的。通常，泵、電機(jī)和變頻器的功率越大，系統(tǒng)的效率就越高，當(dāng)系統(tǒng)在低速下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總的效率也會(huì)降低。在水泵的正常運(yùn)行頻率35~50 Hz 之間, 系統(tǒng)總體效率變化不大。變頻器和電機(jī)系統(tǒng)在額定運(yùn)行點(diǎn)的效率大約為90%，而在35 Hz時(shí)的效率大約為83%。但是水泵的效率大約在50%~85%之間變化，總的說(shuō)來(lái)，泵的效率取決于泵的運(yùn)行速度和系統(tǒng)曲線。

1.3 IPC 技術(shù)的節(jié)能原理

如果系統(tǒng)在某一速度區(qū)間運(yùn)行時(shí)，效率保持不變，而能量節(jié)省了很多，將這時(shí)的速度定義為效率速度。因?yàn)檫\(yùn)行速度太高，節(jié)能太少;運(yùn)行速度太低，一方面效率會(huì)降低，另一方面水流量會(huì)降低。根據(jù)公式(1)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)行的變頻器輸出頻率從50 Hz 降到45 Hz ，流量大約下降10%，因此完成同樣流量所花費(fèi)的時(shí)間會(huì)長(zhǎng)于11%，但是所需要的功率僅僅為原始功率的73% ，我們認(rèn)為水泵運(yùn)行在效率速度(在本例中45 Hz 就是效率速度)下會(huì)創(chuàng)造大約19%

的能量節(jié)省，因此節(jié)省的電能大約為19%[1-(0.73×(1+11%)]。顯而易見(jiàn)，盡管總的效率還維持在相同區(qū)域，但是所需要的能量卻降低了許多。但是按照原

始控制方法，僅當(dāng)需要負(fù)荷時(shí)，使用額定速度運(yùn)行，而采用IPC技術(shù)后，則長(zhǎng)期運(yùn)行也能實(shí)現(xiàn)10%以上的能量節(jié)約。并且實(shí)際中絕大多數(shù)的系統(tǒng)是并行泵

系統(tǒng)，如果采用傳統(tǒng)的PFC(一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵)，一臺(tái)變頻，其余都是工頻運(yùn)行，那么肯定達(dá)不到采用IPC技術(shù)后的節(jié)能效果。這也正是IPC技術(shù)節(jié)能的原理所在。

水泵的流量與揚(yáng)程和軸功率的關(guān)系如圖3 所示?？梢郧宄闯鱿到y(tǒng)運(yùn)行效率，功率，轉(zhuǎn)速，流量，揚(yáng)程之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從工作點(diǎn)A 點(diǎn)到B點(diǎn)，流量下降大約40%，而功率卻下降了大約60%。因此對(duì)于多泵系統(tǒng)運(yùn)行在效率速度下是非常有意義的。

1.4 生命周期成本

產(chǎn)品如果緊緊依靠?jī)r(jià)格來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，生存是很困難的。如果考慮LCC(Life Cycle Cost，生命周期成本)，那么就會(huì)給客戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。從水泵、電機(jī)和變頻器的生命周期成本看，這些成本分成三部分：初始成本，電費(fèi)和維護(hù)成本，其餅圖如圖4 所示。從餅圖可以看出，初始投資成本最小，日常消耗的電費(fèi)占的成本最大，所以我們應(yīng)該從日常運(yùn)行的電費(fèi)上下功夫節(jié)能。IPC 正是從日常運(yùn)行的節(jié)能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。因此，采用IPC 技術(shù)，相比較其他的方法，能節(jié)省20%以上的能量。

2 IPC的軟件方案

下面介紹IPC技術(shù)最有特點(diǎn)的兩個(gè)控制模式。

2.1 多泵控制模式

2.1.1 多泵主從方式

如圖5所示，可以實(shí)現(xiàn)一主多從泵的運(yùn)行方式。

在這種工作模式下，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，主機(jī)輸出頻率增加，當(dāng)達(dá)到全速時(shí)，其他變頻器根據(jù)設(shè)置的先后順序依次啟動(dòng)，并且按照預(yù)先設(shè)置的速度運(yùn)行，比如泵的優(yōu)化運(yùn)行點(diǎn)。

2.1.2 多泵同步控制

如圖6所示，可以實(shí)現(xiàn)多泵的同步運(yùn)行。在這種工作模式下，所有變頻器都將跟隨主機(jī)的給定，并且啟動(dòng)和上升時(shí)間都是同步的。

2.1.3 多泵給定同步控制

如圖7所示，可以實(shí)現(xiàn)多泵的給定同步運(yùn)行。在這種工作模式下，所有變頻器都將跟隨主機(jī)的給定，但是從機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間可以預(yù)先設(shè)定。

2.2 水位控制模式

水位控制通常用于控制水箱的充水或排水。水位控制用于單泵，也可用于2~3個(gè)并聯(lián)泵。水位控制一個(gè)特殊的軟件特性就是通過(guò)隨意改變用戶預(yù)設(shè)的水平面高度，而防止沉淀物附著在水箱的內(nèi)壁上，同時(shí)快速啟動(dòng)沖刷效應(yīng)而使管道清潔，并且使水泵運(yùn)行在效率曲線的合適點(diǎn)，從而降低能量消耗。

水位控制模式的控制邏輯如圖8所示。關(guān)鍵問(wèn)題是要盡可能使泵運(yùn)行在效率速度下(例如45 Hz)。

如果水位變化，需要更大流量，那么就需要投切更多的泵保持在效率速度下運(yùn)行。本例中有3臺(tái)泵。啟動(dòng)水位和效率速度對(duì)所有用戶都是可調(diào)的，從而滿足系統(tǒng)的特殊需要。當(dāng)所有水泵都運(yùn)行在效率速度下時(shí)，水箱水位達(dá)到高位1(參數(shù)可調(diào))。

采用水位控制模式控制水箱的充水或排水，根據(jù)計(jì)算，能節(jié)省大約20%的能量。

3 其他優(yōu)越性

3.1 多泵冗余

對(duì)于傳統(tǒng)的PFC(一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵)的運(yùn)行模式，如果變頻器故障，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而IPC技術(shù)擁有多泵冗余特點(diǎn)，因此它能設(shè)定故障運(yùn)行和降低檢修時(shí)間，鏈接控制并聯(lián)變頻器。

故障的變頻器在500 ms 內(nèi)就能切除，而其他部分不受影響繼續(xù)工作。在冗余系統(tǒng)中，如果一臺(tái)變頻器故障，僅會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能，并不會(huì)造成系統(tǒng)停機(jī);并且冗余接線支持傳感器信號(hào)的丟失。因此100%的系統(tǒng)冗余就保證了高使用率和系統(tǒng)的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行。

3.2 反堵塞功能

反堵塞功能能使變頻器完成對(duì)水泵的預(yù)防性維護(hù)，并在堵塞時(shí)清洗泵。反堵塞示意圖如圖9所示。

觸發(fā)參數(shù)由用戶定義，可以有三種不同的觸發(fā)條件：

1)如果電流超過(guò)設(shè)定極限就啟動(dòng)反轉(zhuǎn);

2)定時(shí)反轉(zhuǎn);

3)通過(guò)DI信號(hào)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)。

3.3 水泵的優(yōu)先控制

水泵的優(yōu)先控制功能均衡了泵的運(yùn)行時(shí)間，有助于改善系統(tǒng)的保養(yǎng)計(jì)劃，從而提高水泵的運(yùn)行效率接近最高效率點(diǎn)。

3.4 流量計(jì)算

如圖(10)所示，通過(guò)測(cè)量水泵輸入側(cè)和輸出側(cè)的水壓，或僅僅根據(jù)變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算出流量。這種計(jì)算是基于泵特性曲線h-q 和P-q，以及泵輸入輸出直徑，還有壓力傳感器的高度差而得到的。所以將傳動(dòng)作為一個(gè)流量計(jì)，從而取代了在流量數(shù)據(jù)不作為計(jì)價(jià)目的的場(chǎng)合應(yīng)用的流量計(jì)，使得無(wú)傳感器流量測(cè)量成為可能，并且設(shè)置安全參數(shù)能限制機(jī)械壓力。

4 應(yīng)用舉例

這里介紹兩個(gè)應(yīng)用：多泵應(yīng)用和水位控制應(yīng)用。

4.1 多泵應(yīng)用

該應(yīng)用適用于泵站，這種配置支持變頻器冗余。

變頻器相互間的通訊通過(guò)NDBU-95 的DDCS 實(shí)現(xiàn)的，如圖11所示。也可不使用NDBU-95選件，而是直接通過(guò)光纖的環(huán)形鏈路連接起來(lái)，由外部PLC 控制起/停與給定?？刂品绞秸?qǐng)參考2.1的描述。

4.2 水位控制應(yīng)用

該應(yīng)用適用于控制1~8 臺(tái)水泵充盈或排空水池的應(yīng)用，如圖12所示。溢出開(kāi)關(guān)與水位傳感器分別連接到DI/AI 口，任何一臺(tái)變頻器都可以設(shè)置為主機(jī)，主/從機(jī)的起動(dòng)/ 停止水位都可以預(yù)設(shè)。控制方式請(qǐng)參考2.2的描述。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，IPC 技術(shù)給泵的系統(tǒng)控制帶來(lái)了更高的能量效率以及實(shí)用性。

在45 Hz的效率速度下，同50 Hz的額定速度運(yùn)行比較，能節(jié)省大約19% 的能量，而水泵的生命周期成本大約節(jié)省16%, 這些數(shù)字都超過(guò)了投資成本和維護(hù)成本。

實(shí)用性的好處包括兩個(gè)方面。一方面是保證系統(tǒng)100%的冗余特性。另一方面IPC軟件有反堵塞功能以及泵優(yōu)先級(jí)控制，以確保水泵的免故障運(yùn)行。

因此，在當(dāng)前大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的政策引導(dǎo)下，ABB變頻器的IPC技術(shù)在并行泵上的應(yīng)用，尤其在大功率并行泵上的應(yīng)用，值得廣泛地推廣。