高壓變頻器在恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用

賈帥雨

摘 要：高壓變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中可提高水壓穩(wěn)定性、延長(zhǎng)水泵使用壽命、進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果，擁有智能化功能模塊，可智能化調(diào)整用水高峰期與用水低谷時(shí)水壓。本文中簡(jiǎn)單探討了高壓變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的各個(gè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，并加以例證。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器;恒壓供水系統(tǒng);PID控制原理;PLC變頻器;系統(tǒng)方案

高壓變頻器配合PLC、觸摸屏可提高恒壓供水系統(tǒng)性價(jià)比，其節(jié)能智能化水平相對(duì)較高，工作安全可靠性表現(xiàn)較好，可最大限度提高供水質(zhì)量，在目前市政供水系統(tǒng)中起到了不可或缺的重要作用。

1恒壓供水系統(tǒng)采用高壓變頻器的原因

傳統(tǒng)普通供水系統(tǒng)運(yùn)行缺陷相對(duì)較多，整體上水塔數(shù)量偏少，水箱容積也普遍不大，如果水在蓄滿之后供水系統(tǒng)就會(huì)停止運(yùn)行，當(dāng)水位下降以后水泵才能重新啟動(dòng)。而系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)重復(fù)頻繁啟停則直接導(dǎo)致了供水系統(tǒng)壽命的大大縮減、運(yùn)行噪聲越來越大、電能損耗相當(dāng)嚴(yán)重。另一方面，普通供水系統(tǒng)的維修費(fèi)用成本高、設(shè)備占地面積大、在二次加壓供水過程中會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的管網(wǎng)水錘現(xiàn)象，對(duì)管網(wǎng)沖擊相當(dāng)之大，如此一來就會(huì)導(dǎo)致供水質(zhì)量偏差，電動(dòng)機(jī)也因此頻繁啟動(dòng)，一旦進(jìn)入用水高峰期，管網(wǎng)壓力就會(huì)由于過大而引起管網(wǎng)嚴(yán)重?fù)p壞。綜上所述，目前必須對(duì)普通供水系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用基于高壓變頻器的恒壓供水系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)普通水塔供水系統(tǒng)，確保供水過程壓力恒定，平衡供水能力與用水流量，滿足用戶所需用水流量，解決老舊設(shè)備頻繁檢修問題，為水利企業(yè)節(jié)約資金成本。

2恒壓供水系統(tǒng)采用高壓變頻器的基本思路

在目前許多鋼鐵企業(yè)中都會(huì)采用到變頻恒壓供水系統(tǒng)，它有效解決了傳統(tǒng)水塔供水系統(tǒng)中所存在的承重負(fù)荷過大、容易出現(xiàn)二次污染、易耗電耗能等等問題。全新的變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定壓力，在用水高峰期與低谷期水管壓力波動(dòng)相對(duì)較小，而且沒有二次污染情況，考慮到樓層承重相對(duì)較低，其相比于常規(guī)供水系統(tǒng)大約可節(jié)能20%左右，同時(shí)采用PLC變頻器配合PID恒壓調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)。以下簡(jiǎn)單分析了恒壓供水系統(tǒng)采用高壓變頻器的基本技術(shù)應(yīng)用思路。

2.1系統(tǒng)控制要求

恒壓供水系統(tǒng)中一般會(huì)配置3個(gè)水泵，可為四層建筑用戶提供用水，同時(shí)還配備一個(gè)備用泵。如此可保證根據(jù)建筑內(nèi)用水人員數(shù)量啟動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)水泵，而且一旦水泵出現(xiàn)故障以后，備用泵就能夠投入到供水工作當(dāng)中。

在系統(tǒng)控制過程中，它采用到了PLC PID控制原理展開技術(shù)分析，其中對(duì)參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。如果假定設(shè)定值為3Mpa，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)以后可利用傳感器測(cè)量水管中壓力。例如如果水管中壓力<3Mpa，可利用PLC建立可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)通過PID調(diào)解書水管壓力，當(dāng)水管壓力輸出值增大時(shí)，變頻器輸出頻率、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)增大。例如變頻器輸出頻率達(dá)到50Hz時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行切換到工頻進(jìn)行操作，加大供水量。如果水管壓力無法達(dá)到設(shè)定值，電機(jī)則會(huì)驅(qū)動(dòng)所有水泵自動(dòng)啟動(dòng)，達(dá)到最大供水要求。在這里，需要分析供水量與用水量之間關(guān)系，如果供水量大于用水量，水管中壓力則會(huì)直接超出設(shè)定值，此時(shí)輸出值也會(huì)相應(yīng)減小，變頻器輸出頻率則會(huì)相應(yīng)降低。如果水管頻率<30Hz，水泵則會(huì)退出運(yùn)行操作，此時(shí)需要依賴儲(chǔ)氣罐進(jìn)行保壓，此時(shí)用水量則會(huì)相應(yīng)增大，水管壓力也會(huì)達(dá)到壓力下限水平，而系統(tǒng)也會(huì)重新再次啟動(dòng)。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求

結(jié)合系統(tǒng)變頻高壓恒壓供水控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，分析系統(tǒng)運(yùn)行的不同工作狀態(tài)，分析系統(tǒng)用水量變化。如果用水量達(dá)到最大水平時(shí)，所以所有水泵進(jìn)行定頻處理，此時(shí)水泵用水量也會(huì)達(dá)到最大。結(jié)合系統(tǒng)工作要求，其軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用則包含了手動(dòng)與自動(dòng)兩種操作狀態(tài)。

2.3主電路與PLC外部接線圖設(shè)計(jì)要求

基于變頻恒壓供水系統(tǒng)的主電線路進(jìn)行分析，了解變頻器連接方式圖，分析代表恒壓供水系統(tǒng)的3臺(tái)水泵運(yùn)行狀況，該過程中采用的是高壓變頻器，其變頻器與主電路的有效連接，且變頻器與PLC直接連接，共同形成了外部接線技術(shù)體系。

3恒壓供水系統(tǒng)采用高壓變頻器的案例分析

3.1案例概述

某鋼鐵企業(yè)采用到了高壓變頻器，企業(yè)工廠中共有4臺(tái)現(xiàn)軋鋼低壓供水泵組共有四臺(tái)泵，設(shè)計(jì)將其中1#、2#泵電動(dòng)機(jī)改為變頻調(diào)速，另外3#、4#仍為工頻運(yùn)行。軋鋼低壓供水泵軸功率280KW，配套10KV、280KW高壓三相異步電動(dòng)機(jī)。水泵正常情況下變頻運(yùn)行，一旦變頻運(yùn)行出現(xiàn)故障，可手動(dòng)切換至工頻狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。變頻器安裝在新建變頻器室，變頻器電源柜、變頻柜在10KV高壓室，電機(jī)水泵在泵房?jī)?nèi)。在高壓變頻器方面，該改造項(xiàng)目采用的是北京合康高壓變頻器，變頻器型號(hào)為HIVENT-Y10/031，其主要參數(shù)為：額定容量630KVA，額定電壓10KV，額定電流31A，額定輸入頻率50～60Hz，冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷。高壓變頻器電源取原1#、2#工頻高壓柜，經(jīng)過移相變壓器隔離、移相后分組輸出，為串聯(lián)的功率單元供電。功率單元為三相輸入

3.2案例系統(tǒng)組成與系統(tǒng)技術(shù)理論

案例中某鋼鐵企業(yè)恒壓供水系統(tǒng)高壓變頻器就采用到了高壓變頻器、PLC、PID調(diào)節(jié)器、TC時(shí)間控制器、壓力、液位傳感器以及動(dòng)力控制線路和3臺(tái)水泵。在對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析過程中，需要對(duì)系統(tǒng)干擾和變化誤差問題進(jìn)行分析，使得系統(tǒng)在設(shè)計(jì)后逐漸趨于穩(wěn)定，避免偏差繼續(xù)變大，加速提升其控制響應(yīng)能力。在設(shè)計(jì)中，為了有效減小系統(tǒng)中絕對(duì)誤差，還可采用一般控制方法，主要圍繞系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行分析并提高，有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生振蕩效應(yīng)。而其中振蕩效應(yīng)主要分3級(jí)：分別為中等、較大和大，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)歸納法建立模糊PID控制器控制規(guī)則，構(gòu)建規(guī)則庫(kù)中的單雙輸入規(guī)則，構(gòu)建至少49條模糊PID規(guī)則，共同組成模糊PID控制器體系。在充分結(jié)合現(xiàn)代新技術(shù)內(nèi)容過程中，其采用到了PLC編程控制技術(shù)內(nèi)容與變頻控制技術(shù)內(nèi)容，圍繞電機(jī)泵組控制技術(shù)建立系統(tǒng)技術(shù)體系，確保水泵出水總管電壓信號(hào)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換到位，最終獲得恒壓供水系統(tǒng)供水?dāng)?shù)字總量。如果生產(chǎn)中用水量減少，水泵運(yùn)行頻率會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到降低到下限運(yùn)行頻率，保證供水量依然處于較大用水量水平。而如果系統(tǒng)自動(dòng)停止工頻操作運(yùn)行水泵，則需要相應(yīng)增加變頻水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，基于用水量對(duì)變頻主泵工作狀態(tài)進(jìn)行分析，某小區(qū)所采用的是輔助泵配合小型氣壓罐為小區(qū)供水[1]。

3.3案例系統(tǒng)中的技術(shù)要點(diǎn)實(shí)踐應(yīng)用

某鋼鐵企業(yè)的恒壓供水系統(tǒng)中采用到了高壓變頻器，其中涉及諸多豐富技術(shù)內(nèi)容，主要就包括了PLC選用及程序、高壓變頻器、主控電路等等。其變頻器每相由8個(gè)額定電壓為720V的功率單元串聯(lián)而成 ，輸出相電壓5760V，線電壓達(dá)10000KV。每個(gè)功率單元分別由輸出變壓器的一組二次繞組供電。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。采用多脈沖二極管整流電路結(jié)構(gòu)，輸出電壓和電流幾近完美的正弦波。下文將逐一展開分析，深入分析理解案例系統(tǒng)中的技術(shù)要點(diǎn)實(shí)踐應(yīng)用。

3.3.1 PLC程序?qū)嵺`應(yīng)用

首先，某鋼鐵企業(yè)在恒壓供水系統(tǒng)中安裝了輔助高壓變頻器的PLC控制系統(tǒng)。PLC的選用原則需要考慮到系統(tǒng)的整體性價(jià)比，保證做到性價(jià)比越高越好。例如針對(duì)電機(jī)的啟停設(shè)計(jì)、定期切換以及自動(dòng)投入供水泵變頻控制方面都會(huì)采用到PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程編程與可視化操作，主要對(duì)系統(tǒng)開關(guān)、輸入、輸出等功能進(jìn)行智能化控制。綜上所述，某鋼鐵企業(yè)恒壓供水系統(tǒng)采用的正是PLC搭載可擴(kuò)充模塊、模擬量模塊，它的主要組成結(jié)構(gòu)就包含了主機(jī)單元配合AC/DC繼電器，另外還有大量的可擴(kuò)充單元與模擬單元。從程序技術(shù)應(yīng)用層面看，它充分利用到了高壓變頻器主程序以及啟動(dòng)子程序，其中主程序中就涵蓋了各種調(diào)節(jié)程序內(nèi)容，例如可對(duì)電機(jī)設(shè)備內(nèi)容進(jìn)行隨意切換，降低電機(jī)程序運(yùn)行壓力。而啟動(dòng)子系統(tǒng)則主要希望清零無用子程序內(nèi)容，確保變頻器能達(dá)到濾波時(shí)間技術(shù)要求，對(duì)設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行操作非常有好處[2]。

3.3.2高壓變頻器實(shí)踐應(yīng)用

某鋼鐵企業(yè)在選用高壓變頻器過程中主動(dòng)設(shè)置其變頻器參數(shù)，合理優(yōu)化供水功率與變頻器頻率相互匹配，體現(xiàn)系統(tǒng)性能最大化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保證其大于供水泵實(shí)際功率?？紤]到變頻器在運(yùn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)初始參數(shù)設(shè)置的有效優(yōu)化，如此就提出了系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整機(jī)制，保證運(yùn)行水泵數(shù)量與負(fù)荷相互匹配，同時(shí)對(duì)比例項(xiàng)中的參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，確保系統(tǒng)動(dòng)態(tài)有效優(yōu)化。在該過程中，需要對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度進(jìn)行優(yōu)化，保證系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定?？傮w來講，需要基于變頻器負(fù)載特性滿足技術(shù)應(yīng)用要求，配合變頻器負(fù)載特性要求滿足鋼鐵企業(yè)恒壓供水系統(tǒng)正常穩(wěn)定供水要求。在該過程中，需要選用變頻器按照負(fù)載特性滿足供水要求，同時(shí)按照負(fù)載特性滿足供水指標(biāo)變化要求。某鋼鐵企業(yè)恒壓供水系統(tǒng)所采用的是西門子高壓變頻器，其參數(shù)設(shè)置包含了P0003專業(yè)級(jí)、P0970=1復(fù)位完成專業(yè)級(jí)兩點(diǎn)。

在這里，采用PLC對(duì)手動(dòng)設(shè)定壓力信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器進(jìn)行分析，合理反饋信號(hào)分析計(jì)算相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，并將壓力偏差內(nèi)容轉(zhuǎn)化為PID精算內(nèi)容，在精算后轉(zhuǎn)化0～5V模擬信號(hào)施再將數(shù)據(jù)輸入到變頻器之中，確保系統(tǒng)PLC能夠?qū)δM輸出量與壓力偏差值進(jìn)行有效比較，在針對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)速確定過程中追求穩(wěn)定動(dòng)力系統(tǒng)工作壓力釋放，保證達(dá)到恒壓供水狀態(tài)有效穩(wěn)定。

3.3.3主控電路實(shí)踐應(yīng)用

在主控電路實(shí)踐應(yīng)用方面，某鋼鐵企業(yè)中的三臺(tái)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中采用到了電機(jī)變頻運(yùn)行機(jī)制，同時(shí)系統(tǒng)中還專門設(shè)置了水泵電機(jī)主電路隔離開關(guān)，同時(shí)主電路熔斷器采用的是FU，通用變頻器采用的是VVVF?；阡撹F企業(yè)恒壓供水實(shí)際情況，需要對(duì)電控系統(tǒng)控制技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行分析，建立手動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，兩套開關(guān)均采用到SA，配合手動(dòng)控制狀態(tài)首先將SA調(diào)整到手動(dòng)位置，自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)則將SA調(diào)整到自動(dòng)位置。如果是在手動(dòng)控制狀態(tài)下，需要同時(shí)控制3臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟停，保證電磁閥通斷自由。此時(shí)利用按鈕再對(duì)SB實(shí)施有效控制，保證自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，同時(shí)將系統(tǒng)控制在PLC程序上，保證其控制后系統(tǒng)平穩(wěn)正常運(yùn)行[3]。

結(jié)束：

基于高壓變頻器配合PLC系統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用需要首先思考提升其系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性，在傳統(tǒng)普通水塔供水系統(tǒng)基礎(chǔ)之上運(yùn)用諸多先進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)內(nèi)容，解決傳統(tǒng)水塔供水系統(tǒng)所存在的承重負(fù)荷過大、容易出現(xiàn)二次污染、易耗電耗能等等問題，達(dá)到節(jié)水、節(jié)能、節(jié)本、節(jié)地等等目標(biāo)，即便變頻器在出現(xiàn)故障后依然能夠保證系統(tǒng)供水穩(wěn)定，且在故障出現(xiàn)后依然能夠追求實(shí)現(xiàn)快速故障排除并自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)。這也說明了基于高壓變頻器的恒壓供水系統(tǒng)在技術(shù)應(yīng)用方面是具有一定的先進(jìn)性與推廣價(jià)值的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]徐占國(guó)， 鄭鳳翼. 圖解觸摸屏.PLC.變頻器綜合應(yīng)用工程實(shí)踐（第2版）[M]. 電子工業(yè)出版社， 4128.

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（南京鋼鐵集團(tuán)，江蘇 南京 210000）