淺談變頻技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉先念

【摘 要】隨著電力電子技術(shù)、自動化控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器得到開發(fā)和應(yīng)用。基于變頻器的變頻技術(shù)具有更加完善的控制功能和節(jié)能效果，在供水系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價值。論文簡單分析了變頻器的基本結(jié)構(gòu)以及變頻技術(shù)特點，之后對變頻技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，最后總結(jié)了變頻技術(shù)的應(yīng)用效益，以供參考。

【Abstract】With the development of power electronic technology and automatic control technology， the frequency conversion technology has been developed and applied. The frequency conversion technology based on inverter has better control function and energy saving effect， has good application value in water supply system. This paper analyzes the basic structure of frequency converter and the characteristics of frequency conversion technology， then analyzes the application of frequency conversion technology in water supply system， and finally summarizes the benefits of the application of frequency conversion technology， for reference.

【關(guān)鍵詞】變頻器；變頻技術(shù)；供水系統(tǒng)；應(yīng)用效益

【Keywords】frequency converter； frequency conversion technology； water supply system； application benefit

【中圖分類號】TN773 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0179-02

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，我國城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，對相關(guān)的配套設(shè)施提出了更高的要求。供水行業(yè)是各項生產(chǎn)和生活用水的基本保障，不斷優(yōu)化和完善供水系統(tǒng)成為供水企業(yè)的重要研究課題。從目前情況分析，一些在運行的供水泵的自動化水平較低，供水效率也比較低，同時存在較大的能耗，在一些供水企業(yè)或者社區(qū)存在著水資源浪費現(xiàn)象，進(jìn)一步造成了經(jīng)濟(jì)損失。而變頻技術(shù)是一種高效調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)整電流實現(xiàn)對電動機(jī)運行速度的調(diào)節(jié)，具有高頻化、數(shù)控化、集成化的應(yīng)用功能特點，在供水系統(tǒng)中能夠發(fā)揮良好的節(jié)能降耗效果，有利于供水行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的最大化。

2 變頻調(diào)速技術(shù)簡介

2.1 變頻器

變頻器根據(jù)需要將工頻電源轉(zhuǎn)為不同頻率的交流電源，從而實現(xiàn)對電動機(jī)的變頻調(diào)速。變頻器的組成主要包括整流器、中間電路、逆變器以及周圍的電路等幾部分，如圖1所示，其中整流器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的交流電源進(jìn)行整流，實現(xiàn)交流變直流，中間電路則是對整流器輸出的電源進(jìn)行平滑濾波，并傳輸給逆變器，逆變器作為變頻器的核心部件，需要完成直流變交流的逆變工作，為電動機(jī)提供所需頻率的交流電源[1]。目前，新型變頻器都配置了通信接口，對各種檢測到的信號和參數(shù)進(jìn)行采集，實現(xiàn)上位機(jī)與變頻器之間的通信功能，可以實現(xiàn)對輸入信號的處理以及運行指令的下達(dá)，在需要高精度控制時，可將反饋信號反饋到變頻器，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。以變頻器為基礎(chǔ)的變頻技術(shù)在各個行業(yè)得到推廣，充分發(fā)揮了其節(jié)能降耗、自動化控制、質(zhì)量提高、減小維修、提高適應(yīng)性等優(yōu)勢。

2.2 變頻技術(shù)

變頻技術(shù)的基本原理就是通過調(diào)整電源的頻率實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。交流電動機(jī)主要包括同步電動機(jī)和異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：n=（1-s）；其中s=，式中n表示轉(zhuǎn)子速度，n0表示電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，s表示轉(zhuǎn)差率，f表示電源頻率，p表示電機(jī)極對數(shù)，通過公式我們可以發(fā)現(xiàn)，電源頻率、極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率三個方面的改變可以實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，其中變頻調(diào)速是最穩(wěn)定和簡單的調(diào)速技術(shù)，這就需要發(fā)揮變頻器的變頻技術(shù)，實現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速。在水泵等設(shè)備中，變頻器主要采用VVVF控制方式，即保持電壓和頻率的比例系數(shù)不變，即改變電源頻率的同時，對輸出電壓進(jìn)行有效控制，從而保障電動機(jī)的磁通不變，這種變頻調(diào)速技術(shù)叫作恒U/f控制。

3 變頻技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 水泵調(diào)速方案的選擇

供水系統(tǒng)中的水泵運行過程中，輸出揚程H和電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方形成正比例關(guān)系，在水流量為零的情況下，供水管道內(nèi)部也要保持一定的水壓。供水系統(tǒng)中的水流量隨著用戶用水量而產(chǎn)生變化，具有一定的隨機(jī)性，因此，針對水泵電機(jī)主要通過控制水壓實現(xiàn)供水控制。水泵也是一種減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成比例，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩也會減小，因此變頻器可以通過SF模式實現(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。供水系統(tǒng)往往應(yīng)用變頻技術(shù)實現(xiàn)恒壓控制，在這個過程中要求水壓連續(xù)可調(diào)，可以通過PID調(diào)節(jié)器建立壓力閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，但是在保持電機(jī)動靜態(tài)品質(zhì)方面存在不足。這時候還可以采用內(nèi)環(huán)為速度閉環(huán)的SF控制系統(tǒng)，改善恒壓供水系統(tǒng)的整體性能[2]。

3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

基于變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器和變頻器形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化和改善，進(jìn)一步提高供水系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，SF變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)為一種內(nèi)環(huán)控制，在系統(tǒng)運行過程中，首先要啟動主泵，供水管網(wǎng)中的水壓需要達(dá)到設(shè)定數(shù)值，同時變頻器的輸出穩(wěn)定在特定范圍。當(dāng)用戶的用水量增加時，管道內(nèi)的水壓就會降低，壓力變送器采集該信號，并傳送給比較器，比較器將該壓力數(shù)值與給定的壓力數(shù)值做比較，將差值輸入到PID控制器，經(jīng)PID處理的數(shù)值再傳入SF控制變頻器，作為轉(zhuǎn)差給定值，進(jìn)而調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對管道水壓的調(diào)節(jié)，使其回復(fù)給定數(shù)值，系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運行。在用水量增加過多的情況下，主泵的供水量難以實現(xiàn)閉環(huán)控制效果，則需要啟動備用泵，如果用水量減少，也可以實現(xiàn)備用泵的自動切除。因此，在供水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻器可以根據(jù)水壓信號實現(xiàn)雙位控制，進(jìn)而保證供水質(zhì)量。

4 變頻技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用效益

利用變頻技術(shù)對供水系統(tǒng)進(jìn)行全流量恒壓控制，能夠取得良好的運行效益，主要包括以下幾點：第一，高效節(jié)能，變頻恒壓供水系統(tǒng)可以根據(jù)水壓設(shè)定值，在水壓發(fā)生變化時對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而保障供水效率，進(jìn)一步減少電能損失；第二，供水壓力穩(wěn)定，系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制方式，能夠根據(jù)系統(tǒng)水壓和壓力設(shè)定值差值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)壓力保持恒定，流量連續(xù)可調(diào)；第三，PID調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)自動運行，通過壓力傳感器反饋的信號，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并利用PLC技術(shù)進(jìn)行壓力值和PID相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，通過PLC運算功能實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)分析和處理，并且程序可以根據(jù)用戶需求靈活調(diào)整；第四，“休眠”功能，系統(tǒng)運行時經(jīng)常遇到用戶用水量較小或不用水的情況，為了節(jié)能，系統(tǒng)具備可以使水泵具有暫停工作的“休眠”功能，當(dāng)變頻器頻率輸出低于下限時，變頻器停止工作，當(dāng)變頻器頻率達(dá)到設(shè)定啟動值后啟動水泵運行；第五，延長電機(jī)、水泵使用壽命，各泵均為軟啟動，消除了全壓啟動時的沖擊電流，延長了設(shè)備的使用壽命，采用各泵循環(huán)軟啟動，促使各泵不會因長久不用而生銹或頻繁使用而磨損[3]。

5 結(jié)語

總而言之，變頻技術(shù)是一種高新節(jié)能調(diào)速技術(shù)，應(yīng)用在供水系統(tǒng)中，表現(xiàn)出良好的調(diào)速性能和節(jié)能效果，并且控制操作安全可靠，還能夠根據(jù)用水量實時調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)。各大水廠或供水企業(yè)需要根據(jù)具體區(qū)域的供水需求，積極應(yīng)用變頻技術(shù)實現(xiàn)供水系統(tǒng)控制功能的優(yōu)化和完善，同時要做好變頻器的維護(hù)和保養(yǎng)，使得變頻技術(shù)能夠在供水行業(yè)發(fā)揮更大的應(yīng)用價值。

【參考文獻(xiàn)】

【1】易亞軍.變頻技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城鎮(zhèn)供水，2010（03）：95-97.

【2】侯?？。炖?變頻技術(shù)在二次供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（05）：102.

【3】游龍華.變頻技術(shù)和PLC技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2013（11）：104.