淋浴车专用变频恒压供水系统的设计

2018-01-24 神汽专用车

马莎 (武汉理工大学 自动化学院)


引言

淋浴专用车同时具有洗浴和消毒冲洗防疫等特殊功能,现已广泛应用于部队作战训练和抗震救灾之中,特别是在缺雨少水或干旱地区,其作用更加明显。但是,由于其使用环境的特殊性,节水省电成为急需解决的重要问题。目前淋浴专用车多采用传统的“储水罐+水泵”的供水方式,在水资源和电能的利用率上都非常低,易造成局部有限水资源和电能的浪费。变频恒压供水自动控制系统,具有控制稳定可靠,自动化程度高,管理系统科学等特点,能达到降低成本、节约能源、诚小设备损耗、提高供水质量的目的,类似系统已在城市小区,工厂生产,船舶供水等大型供水系统中得到了广泛应用,但针对车辆尤其是淋浴车中的系统应用尚未见公开报道。因此,本文提出将变频恒压供水原理应用到淋裕专用车中,介绍了变频恒压供水节能原理,进行了系统设计和电气图设计,并针对具体型号淋浴车进行了节能计算,经出了经济效益分析。结果分析表明,这种变频恒压供水在淋浴专用车上可以根据不同的用水需求供水,起到很好的节水省电的效果。


一、淋浴车变频恒压供水系统的省水节能原理

若供水管路中的阀门开度不变,在某一转速下,水泵的扬程H与流量Q之间成反比关系,构成供水系统的扬程特性曲线。而当水泵的转速不变时,阀门在某一开度下,扬程H与流量Q之间成正比关系,构成供水系统的管阻特性曲线,如图1所示。供水系统通常工作在扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,即图中A点。在这一点,系统能在同时满足扬程特性和管阻特性情况下稳定运行。


传统供水方式通过调节阀门开度以控制流量,而变频恒压供水系统在阀门开度即压力保持不变情况下,通过改变水泵电机的转速来调节流量,因此属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量变化要求自动地调整水泵电机的转速,当用水量增大时电机加速,用水量减小时电机减速,但管网压力适中恒定不变。在这种情况下,系统扬程特性将随水泵转速的改变而改变,但管阻特性不变。


频器调节电机转速,从而改变水泵的出水流量而实现供水目的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。


将变频调速供水方式与传统的阀门开度控制供水方式进行比较,从图2中可以看出,若供水量高峰期水泵工作在C点,当用阀广]控制时,流量为Q1,扬程为H。当供水水量从Q 减小至Q2 时,必须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从B3移到Bi,扬程特效曲线不变,而扬程从H。上升到H,运行工况从C点移到D点。当用调速控制时,压力恒定,扬程为Ho,管阻特性曲线为B2,扬程特性变为曲线n2,工作点从C 点移至B点。可见,采用变频恒压调速控制,节能量为区域H,H,DB 的面积。若采用阀门控制流量,不但浪费功率,并且随着阀门的不断关小,阀门的摩擦阻力管阻特性曲线上移,运行工况点也随之上移,于不断变大,是H增大,而被浪费的功率要随之增加。


因此,调速控制方式相对于阀门控制方式,供水功率要小得多,节水节能效果显著,故本文讨论在淋浴专用车上,用变频调速恒压供水方式取代传统供水方式。

 

淋浴车.png



二、淋浴车变频恒压供水系统设计

变频供水系统的节能优势主要体现再根据用水量的大小进行自动调整工作方式,因此系统中必须设置流量监测环节,为此,系统通过检测水泵的运行速度和水管出口压力来间接获取当前用水量大小,其中水泵的运行速度由变频器检测,水管压力则可由压力传感器测量4。基于传统淋浴专用车上现有水泵与水泵电机,为实现变频恒压供水,只需要增加压力传感器和变频器即可。


为了能迅速、准确地消除拖动系统的误差,当需要提高使用多台水泵时,可以借助其内部继电器控制额外水流量,泵在需要时的起动或者停止,防止开开停停,使水泵之间平顺的转移及维持压力在狹窄的范围带。因此所采用的变频器需要具备内置PID 控制单元。在此选取台达风机水泵专用型变步器VDF-F系列。


压力传感器一般选取在离水泵出水口较远的地方,避免系统振荡引起误差,可采用电阻式远传压力表。系统采用压力负反馈控制方案,图3是逻辑控制框图。控制流程为: 检测用水量需求信息(比如阀门开度),水管网上安装的压力传感器将出水压信号转换成0~5V 的模拟信号送入PID 调节器。经运算与给定压力参数进行比较,得出调节参数,送给变频器,由变频器控制水泵的转速,调节系统供水量,使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。


由于淋浴车不仅要有工人沐浴功能,还需要有能完成冲洗和消毒防疫的任务,同时还要考虑使用地区缺水少雨及环境的复杂性,方案系统最终要能满足如下基本要求:

(1) 系统采用一台水泵及变频器;

(2) 泵的工作方式为自动或者手动;

(3) 泵的运行方式为工频或者变频;

(4) 供水压力可调,具有变频故障、低水位保护等功能。


可以看出,变频恒压供水系统克服了在传统供水方案中,无论用水流量大小,工作泵均提供最大流量的缺点。变频供水系统中,泵在工频工作状态下提供最大流量的50%-60%,当用水需求增大或者减小时,则切换至变频状态工作。当用水需求恢复到初始值,则由变频切换至工频工作状态。在大多数情况下,靠一台主泵进行变频调速供水,足以满足供水压力要求,此时主泵速度不超过最高速度,同时供水压力达到设定值。


三、供水系统电气图设计

1、主电路电气图

主电路包含水泵电机、变频器、变频器外围电路以及断路器、熔断器等等。水泵电机的输入侧接有熔断器,用来对连续运行的电动机实现过载及断相保护,以防电动机因过热而烧毁。由于变频器有比较完善的过电流和过载保护功能,且断路器也具有过电流保护功能,因此变频器的进线侧可不接熔断器。


如图4 所示,接触器KMI 控制水泵电机工频运行,KM2控制水泵电机变频运行。QS1、QS2、QS3表示2断路器,具有隔离、保护等作用。FR1表示热继电器,用来对连续运行的电动机实现过载及断相保护,以防电动机因过热而烧毁。

 

淋浴车主电路电器原理图.png

变频器外围电路及各端子功能如下:

MDI为数字量输入端子,本系统设定为启停控制立子。AVI、ACI 为模拟量输入端子,在PID 控制器有效情况下,可设定为给定信号或者是反馈信号端子,本系统中AV1设定为反馈信号端子,接受来自压力传感器的电压信号; ACI 设定为给定信号端子,接受来自给定电位器的4~20m A 电流信号。AFM为模拟量t输上出端子,输出物理量类型可以设定,该系统设定为变频器运行电流指示功能,接至12V的电压表,置于操作面板上以供监视。


2、接地保护电路

为保证整车用电安全,按則BGB8139552-92要求采用系统正常运行时,专用保TN-S 的保护开式,如图5 所示。护线上没有电流,只是工作零线上有不平衡电流。PE 线对地没有电压,所有电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上,专用保护线PE不许断线,也不许进入漏电开关,因此安全可靠。工作零线只用作单相照明负载回路。接地线接在电原转接板上的接地线柱上,接地电阻不大于4。

在每次供电以前,必须做好接地工作后才能供电。

 

淋浴车接地保护形式原理图.png


四、典型车辆淋浴系统设计和节能分析

针对某型淋浴车设计淋浴车变频恒压供水系统。根据中华人民共和国国家标准淋浴车通用技术条件,淋浴车储水容量设计为8m³,淋浴头流量设计为0.19-0.34m³/h,设计16 淋浴喷头工作。取电动机的客项定功率为2.2kW,客页定转速为1500r/min,恒转矩调频范围为5-50Hz; 水泵的额定转速为1,500r/min,最大工作压力为1MPa。这样既可保证在变频低速时有不低于2m的扬程,又能保证车辆还具有对特定环境的良好冲洗和消毒能力。


通过变频调速改变流量的原理以及转速、流量和功率等参数改变前后的比值关系,可以计算出能量的节省情况。假设根据淋浴车用水量最大需求(16个喷头同时工作)的80%、50%、30% 的变化计算,可根据水泵的参数确定淋浴车各状态单位时间内供水节约的能量如表1所示。

 

淋浴车节约能量分析表.png


五、结束语

在现有传统淋浴专用车上,增加配置压力传感器及变频器。采用本文提出的变频恒压供水系统,可以起到较好的节水省电的效果。由于可最大限度利用车载电源及其他设备,此系统在所需空间及技术改进上无需做大的变动,即可实现节能功能0。由于扬程比值与转速比值的平方成正比,因此在实际变频控制中,应设置最小转速限制,以保证扬程不低于2m 的基本要求,同时保证有足够的流量。