變頻技術(shù)在恒壓供水中的應(yīng)用

摘 要 闡述了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了變頻供水設(shè)備的性能特點(diǎn)，用實(shí)例證明了變頻恒壓供水的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞 變頻調(diào)速；恒壓供水；節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào) TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)071-0186-01

隨著生活水平的提高和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，加之高層建筑越來(lái)越多的走入尋常百姓家，人們對(duì)供水的質(zhì)量提出了更高的要求。早期的水塔、氣壓罐、高位水箱等設(shè)備，容易形成二次污染，且自動(dòng)化程度低，供水系統(tǒng)不能隨負(fù)荷變化改變運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代人對(duì)水質(zhì)、供水穩(wěn)定性的要求。變頻恒壓供水以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在生活中得到很大的發(fā)展和推廣。

1 變頻調(diào)速的原理

根據(jù)電機(jī)原理，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=ns（1-s）可見(jiàn)，它的調(diào)速方式實(shí)際上有兩類(lèi)：一類(lèi)是在電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度ns恒定的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s，包括調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速和滑差離合器調(diào)速等，都屬于低效調(diào)速，另一類(lèi)是調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度ns.，根據(jù)ns.=60f/p可知，通過(guò)改變磁極對(duì)數(shù)和頻率可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，即變極調(diào)速和變頻調(diào)速，都屬于高效率的調(diào)速方式。

當(dāng)異步電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率f成正比，因而連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

異步電機(jī)采用變頻調(diào)速時(shí)不但能無(wú)級(jí)調(diào)速，而且可根據(jù)負(fù)載特性的不同，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓與頻率之間的關(guān)系，使電機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)，并保證良好的運(yùn)行特性。異步電機(jī)采用變頻啟動(dòng)更能改善啟動(dòng)性能，降低啟動(dòng)電流，增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2 變頻恒壓供水的系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)的硬件組成

圖1所示為本單位二幢11層建筑6樓以上變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖。

從圖中可以看出，系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括變頻器VVVF、可編程控制器PLC（或PID調(diào)節(jié)器）、壓力控制器（或壓力變換器及遠(yuǎn)程壓力表）及控制柜等組成。本例中，供水系統(tǒng)用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵聯(lián)合協(xié)調(diào)工作。由于變頻器及PLC具有良好的通信接口，可以方便地與其他系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以通過(guò)PC機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，可以靈活地滿足用戶(hù)各種數(shù)據(jù)處理的要求，且隨著PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，通用性強(qiáng)，可代替性高，因而得到了廣泛的推廣和使用。

2.2 系統(tǒng)的控制原理

系統(tǒng)是以供水管網(wǎng)的供水壓力作為控制對(duì)象而構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂茖?duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象。設(shè)定的供水壓力可以是個(gè)常數(shù)或時(shí)間分段函數(shù)，控制的目標(biāo)就是使管網(wǎng)的出水壓力在某一時(shí)間段上與設(shè)定值保持一致。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際運(yùn)行壓力低于設(shè)定值，通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳂?biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC的模擬輸入口，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后發(fā)出調(diào)節(jié)參數(shù)送入變頻器，變頻器從而決定輸出頻率，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)出水量，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)壓力的恒定。

3 變頻恒壓供水的特點(diǎn)

采用變頻器－PLC恒壓供水，除了有效減少以往高位水箱等設(shè)備的二次污染、有效節(jié)約能源外，還有以下特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。由于電子設(shè)備的集成化程度越來(lái)越高，各種配套方案靈活方便，自動(dòng)化程度也顯著提高。

2）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。較之以往的繼電器、接觸器組合，變頻恒壓供水的器件數(shù)量大幅減少，大功率電子元器件的高穩(wěn)定性為系統(tǒng)的穩(wěn)定墊定了良好的基礎(chǔ)。

3）消除了水錘效應(yīng)。異步電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)初期由于流量的巨大變化引起對(duì)管道的壓強(qiáng)過(guò)高，甚至使管壁受力而產(chǎn)生噪音，像是一把錘子在敲擊水管，人們稱(chēng)之為水錘現(xiàn)象。水錘效應(yīng)對(duì)管網(wǎng)產(chǎn)生巨大的破壞性，甚至使管子破裂。采用變頻恒壓供水系統(tǒng)后，對(duì)過(guò)軟啟動(dòng)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，減少壓力急驟變化而對(duì)管網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，從而有效避免了水錘效應(yīng)，延長(zhǎng)了水泵的使用壽用。

4）系統(tǒng)的靈活適用。由于變頻器及PLC的輸入輸出靈活，可方便寫(xiě)入各種數(shù)據(jù)及程序，對(duì)供水管網(wǎng)的壓力設(shè)置可實(shí)現(xiàn)多時(shí)段，亦可將各時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的輸出便于分析，所以在民用、工業(yè)生產(chǎn)等各領(lǐng)域得到了廣泛使用。

4 恒壓供水系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行

本系統(tǒng)采用多臺(tái)水泵供水，變頻器可控制其順序循環(huán)運(yùn)行，并使每臺(tái)水泵都實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng)。

1）假設(shè)在運(yùn)行始，用水量較小，僅M1處于變頻運(yùn)行中。當(dāng)用水量開(kāi)始增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到最高值50 Hz時(shí)，變頻器控制M1切換到工頻電網(wǎng)中，處于工頻運(yùn)行，變頻啟動(dòng)M2，M2變頻運(yùn)行中，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。

2）同理，如在夜間，當(dāng)用水量開(kāi)始減少時(shí)，此時(shí)水壓開(kāi)始升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶(hù)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定值，并且滿足減少水泵的其他條件時(shí)，系統(tǒng)將停止原本處于工頻運(yùn)行的那臺(tái)水泵，實(shí)行單臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，直到水壓達(dá)到給定值。

3）從以上的用水高峰及低谷期間，水泵的加泵和減泵中，可以發(fā)現(xiàn)，所有水泵沒(méi)有工頻泵行變頻泵之分，保證每臺(tái)泵均能實(shí)行變頻啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)處于變頻運(yùn)行中。

4）系統(tǒng)運(yùn)行在手動(dòng)模式下時(shí)，自動(dòng)模式無(wú)效。手動(dòng)模式通常在自動(dòng)模式出現(xiàn)故障時(shí)作為應(yīng)急使用，用戶(hù)可根據(jù)需要，通過(guò)PLC的輸入開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的

切換。

5 變頻恒壓供水系統(tǒng)的其他功能

本系統(tǒng)采用ABB的變頻器，PLC為的，水泵為，電機(jī)為，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的設(shè)定，還實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1）對(duì)電氣故障的監(jiān)測(cè)和診斷功能。對(duì)電機(jī)的過(guò)流、欠壓、過(guò)載、缺相等故障均能進(jìn)行保護(hù)、顯示并聲光報(bào)警。設(shè)備具有完善的電氣安全性能和電機(jī)故障自跨越功能。

2）低水位報(bào)警功能。由于水泵不能缺水運(yùn)行，將低水位報(bào)警信號(hào)引入到控制中，在低水位狀態(tài)中，無(wú)論是自動(dòng)還是手動(dòng)狀態(tài)，都能實(shí)現(xiàn)水泵的無(wú)條件停止，從而保障水泵的安全運(yùn)行。

3）實(shí)現(xiàn)定時(shí)切換泵功能。除了能根據(jù)負(fù)荷變化實(shí)現(xiàn)加減泵的功能外，還可以通過(guò)設(shè)置，當(dāng)一臺(tái)泵長(zhǎng)期運(yùn)行達(dá)到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)后，系統(tǒng)能自動(dòng)按順序?qū)⒑笠慌_(tái)處于休息的泵實(shí)現(xiàn)激活，使之投入變頻工作狀態(tài)，并停止原變頻泵的工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)的使用，提高了供水質(zhì)量，減少了對(duì)管網(wǎng)和電網(wǎng)的沖擊，具有節(jié)約能源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可編程、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，延長(zhǎng)了電機(jī)、水泵的使用壽命，可根據(jù)要求，靈活設(shè)置供水壓力和時(shí)間段，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)故障并診斷報(bào)警，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守?？蓮V泛運(yùn)用于生活用水、生產(chǎn)用水，無(wú)論在熱水還是噴淋、灌溉等各行業(yè)領(lǐng)域都具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]范洪艷，陳鳳，李壯.小區(qū)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)[J].電機(jī)技術(shù)，2011，2.