变频调速恒压供水系统节能应用

2014-08-07孙文革

微处理机 2014年5期

关键词：恒压变频变频器

孙文革

（新疆职业大学机械电子工程学院，乌鲁木齐830013）

变频调速恒压供水系统节能应用

孙文革

（新疆职业大学机械电子工程学院，乌鲁木齐830013）

随着系统控制压力的降低，变频给水设备工况相对于工频工况的节能效果十分明显。中型自来水厂的水泵驱动电机一般是由高压电机驱动，其供水压力与流量的调节大多采用传统方式，通过控制水泵的运行台数，辅助于阀门开度变化的方式进行调节。由于供水时间相对集中，一日内的负荷变化较大，特别是在午夜与凌晨时段，产生大马拉小车的现象，这种情况在春冬两季更为明显，既浪费能源，又使供水管网的压力波动。论述了恒压供水系统与其节能部分。

变频调速；恒压供水；控制；节能

1 引言

这主要是由于变频工况运行中控制压力是通过改变电压频率获得，因此所耗功率和压损是随着系统控制压力（即流量）的下降而减少；而工频工况运行中系统控制压力是通过增大调节阀1的压损来获得，这就带来泵负荷的增大，泵所耗功率也增大。实验充分说明了应用变频调速技术所带来的巨大节能效益，特别对于负荷变化较大的变频恒压供水设备系统尤为明显［2］。例如：高楼供水，啤酒发酵罐群冷媒的供水系统等等。

按用途，建筑给水分为生活供水和消防给水二大类。在生活给水系统中应用变频恒压供水设备泵供水要比其他供水方式具有明显的优越性。

对于消防气压供水设备系统而言，由于其水量是按最大的小时消防水量进行计算的，而扬程的选定是按最大用水量时最不利点所需压力计算的。实际上在火灾初期用水量由小到大、由少到多，此时的水泵扬程总是处于超压状态，只有当用水量达到设计水量时压力才达到设计值［3］。超压状态将给消防的安全可靠带来不利因素，对消防人员的人身安全尤其不利，另外对消防系统本身也是不利的。采用变频稳压工频消防是一种经济、先进、实用的消防给水方案。

2 变频调速的特点及分析

用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水质量［4］。

恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全。如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，用水区域采用恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益［17］。

随着电力技术的发展，变频调速技术日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。

3 恒压供水的变频应用方式

通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，我公司开发的BC2100系列恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能。下面讲到的原理都是一变频器拖动多马达的系统［19］。

4 PID控制原理及功能介绍

4.1 根据反馈原理

要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该让这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压恒定，就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制系统的特点是非线性、大惯性系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时通过对PLC的编程来实现泵的工频与变频之间切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用［18］。

4.2 PID功能介绍

水泵变频调速是一个压力闭环控制系统，设定水泵出口侧压力参数为控制对象，当实际压力与设定压力发生偏差±H时，高压变频器则根据压力传感器反馈的信号，自动调节变频器的输出频率与电压，从而改变水泵驱动电机的转速，使水泵出口侧的压力维持恒定［5］。

5 变频控制原理

用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显着（可根据具体情况计算出来）。其优点是：

（1）起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；

（2）由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；

（3）可以消除起动和停机时的水锤效应；

一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量［6］。

虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机热保护［7］。

在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下，应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能时，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效［8］。

6 恒压供水系统

6.1 定时轮换功能

经过设定的时间，让系统中的水泵进行轮换，使系统中的所有水泵轮流参与运行工作，有效防止泵的锈死现象，提高设备的综合利用率。降低维护费用。当泵的容量基本相同时，选择定时轮换功能比较合适，以免造成系统工作的震荡［16］。

6.2 进水池液位检测及控制功能

对进水池的液位进行检测及控制，当进水池水位由高到低变化，水位高于下限水位时，系统按照正常设定压力运行；当水位低于下限水位而高于缺水水位，系统按照非正常备用压力运行；当水位低于缺水水位时，系统停止所有的运行。

当进水池水位由低到高变化，水位低于下限水位前，系统不运行；当水位高于下限水位而低于上限水位，按照非正常备用压力运行；高于上限水位后，系统恢复正常压力运行［15］。

6.3 压力容差范围调节功能

PID调节有容差范围，当反馈压力在设定压力值的偏差极限内，压力调节器停止调节，以提高压力调节系统的精度与稳定性。

压力容差范围如图1所示。

图1 压力容差范围图

6.4 平滑的水泵切换功能

当进行加减泵时，始终保持一台变频泵运行中，以使管网的压力不会突变。对变频泵投切到工频泵，可设定变频泵投切频率，变频泵运行在较高频率，再投切到工频运行，保证管网压力的稳定［9］。

水泵切换条件如图2所示。

图2 水泵切换条件图

7 变频器参与的恒压供水系统特点

（1）节电：变频给水设备具有最佳的节能效果，优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度的节能运行；

（2）节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。

（3）运行可靠：水泵机组实现软启动方式，多台水泵实现循序启动运行，噪音低并可延长其使用寿命和保证运行的可靠性。

由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

（4）联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。

（5）控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。

自我保护功能完善：变频恒压供水设备全自动运行，使用方便。如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。

（6）调速运行，可方便地实现恒压供水、压力可调，可避免在火灾初期阶段或水泵检验时的超压问题［10］。

8 风机泵类负载变频调速的节能原理

风机泵类负载一般是通过改变阀门挡板的开度进行流量、压力调节的。图-1为泵（风机）扬程流量特性曲线（H-Q）图。在阀门控制的方式下，当系统流量从Qmax减少到Q1时，必须相应地关小阀门。这时，阀门的阻力变大，流体的节流损失增加，流道的阻力线从A0到A2。泵（或风机）运行的工况点，从b点移到c点，扬程从H0上升到H2，而实际需要的工况点为d点［14］。

根据泵（风机）的功率计算工式：

泵类负载调速特性曲线如图3所示。

图3 泵类负载调速特性曲线

P＝ρgQH／1000η

式中：

P—水泵使用工况轴功率（kW）

ρ—输出介质的密度（kg／m3）

Q—使用工况点的流量（m3／s）

g—动力加速度（m／s2）

η—使用工况点泵的效率。

可求出运行在c点和d点泵的轴功率分别为：

Pc＝PgQ1H2／1000η；Pd＝PgQ1H1／1000η；

两者之差为：

ΔP＝Pc-Pd＝PgQ（H2-H1）／1000η

上式说明，用阀门控制流量时，有ΔP的功率被损耗浪费掉了。而且，随着阀门不断关小，这个损耗还要增加［13］。

移相变压器的多重二次绕组对电网而言，类同多相负载，它既为逆变功率单元的电压叠加提供了条件，又解决了电源网侧的谐波问题。对AMBHV1型高压变频器而言，每相有6个不同的相位组，形成了36脉冲的二极管整流电路。因此，它的基波电流值高，理论上讲35次以下的谐波可以消除电流的畸变率THPi＜190。

AMB-HV1型高压变频器采用载波移相技术，各功率单元在主控CPU发生的控制电平下，依次导通关断。各功率单元输出的1，0，-1电平叠加后，形成了频率电压可调的多重化阶梯形，得到了几近完美的正弦波形。逆变功率单元由整流电路，电解电容滤波电路，H桥逆变路构成，各功率单元的输入电压为590V，功率模块为低饱和压降，耐压为1700V的IGBT，功率单元与CPU控板之间的监控电平由光纤传递，使布线的杂散电感减至最少，杜绝噪声损耗［11］。

高压电机铭牌标定参数

额定电压：UN＝6kV；额定电流IN＝27A；额定转速NN＝1475r／min；额定功率PN＝220kW

电机启动平稳，消除了刺耳的启动噪音。

原高压电机工频启动时，由于起动时间短，起动冲击电流大（IN5～7倍），电机与水泵振动较大，会产生刺耳的噪音。使用高压变频器后，这些现象彻底消除。使用变频器后，电机启动时，电机的转速在高压变频器设定的范围内，从零开始平缓上升，电机电流亦随之平稳变化，电流表的指针平稳偏转，杜绝了工频启动时对电网的冲击［12］。

电机启动时，水泵出口侧阀门关闭，变频器输出起始频率为2Hz，电机相电流为0.6A，1分钟以后，输出频率为43Hz，电机的相电流为18A。未采用变频器时，每当用水量大，水压低时，值班人员要及时开大水泵出口侧阀门，加大出水量；而当用水量小，水压高时，值班操作人员要及时关小水泵出口侧阀门，减小出水量。采用变频器后，网管水压通过压力闭环控制系统自动控制，供水压力始终保持在0.45MPa的设定压力上。而且，泵的启停台数由PLC根据工况情况自动控制，使系统由人力控制的方式上升到自动化控制的台阶。得到数据如表1所示。

表1 变频调速与工频定速比较

原高压电机未装置功率因数补偿电容，盘面上的功率因数表的读数在0.85的刻度上，使用高压变频器后，因高压逆变功率单元内均装置有大的电解电容，相当于在电网侧与机之间加入了一级容性隔离。使整个系数的效率大为提高。现在功率表的读数在0.95以上。可见，高压变频器不仅实现了调频、调压、调速，软起动的功能，而且具有功率因数补偿的功能［20］。

9 结束语

高压变频器具有很高的可靠性，高压变频器的成功运行，不仅为企业带来了节能效益，减少了设备维修，而且提高了供水系统的自动化水平。可以说高压变频调速为企业节能降耗，提高经济效益开掘了新途径［20］。

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Application and Energy Saving of Constant Pressure Water Supply System

SUNWen-ge

（Department of Mechatronic Engineering，Xinjiang Vocational University，Urmqi830013，China）

With decreasing the pressure of system control，compared with the frequency changeless equipment，the energy can be saved obviously by frequency conversion water supply equipment，Thewater pump motor ofmedium-sized waterworks is driven by the high-pressure motor.The traditional way，controlling the number of operating pump and adjusting the open degree of the valve，is often used to adjust the water pressure and flow.Due to fixed water supply time and obvious daily load varying especially in themidnight and morning aswell as in winter and spring，thus it not only wastes the energy but alsomakes the pressure of thewater supply network fluctuated.This paper describes the energy saving of the constant pressure water supply system.

Frequency control ofmotor speed；The constant pressure water supply；Control；Energy saving

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.026

TP23

：A

：1002-2279（2014）05-0091-05

孙文革（1967-），男，甘肃人，实验师，主研方向：电子技术及自动控制技术。

2013-12-18