变频供水（共12篇）
变频供水 篇1
摘要：变频调速系统是近年来新发展起来的技术手段, 用以满足人们对于高品质的调速需求。供水系统也引入了变频技术, 变频调速器的引入更好地解决了供水的自动化需求问题, 并且由于其设备的投资较少并且其稳定的系统运行性能, 深受用户的青睐。另外随着变频调速技术的发展变频器的占地面积也不大, 并且还可以通过操控达到节水节电的效果。在理论认识上, 变频器的引入优点颇多, 但是实际操作以及应用时由于型号选择不当以及控制方式等问题, 反而会费电费水, 而达不到节能的目的。结合实际经验, 文章对变频供水设备进行了简要的分析和探讨, 对其应用提出了一些合理的建议和意见。
关键词：供水系统,变频器,循环软启动
1 普通的变频供水设备
循环软启动类型的变频供水设备是在现实应用中最为广泛的, 整个系统组成较为简单, 主要包括了水泵、变频柜、仪表、以及各种管路交错组成。这里需要提到的是, 这种系统的水泵应当选取型号相同的二至四台为宜。下面就以三台作为例子进行详尽的分析。
日常供水主要是使用一台水泵进行供水, 但是当使用量增加, 一台水泵的供水不足以满足水量的要求时, 变频柜就会在将运行水泵转变成工频运行后开启第二台水泵。以此类推, 当两台水泵共同运行也不能满足水量需求时则将第二台也转变成工频然后开启第三台。当水量使用减少时, 再按照启动的顺序, 将水泵依次停止, 最后将第一台水泵恢复恒压。一次变频运行结束。
另外由于供水系统在平时的供水中主要是使用一台水泵, 因此会设定水泵的运行时间, 依次保证水泵不会超负荷运转, 这个时间的设定视实际情况而定。当超过了特定的时间变频柜就会停止水泵的运行, 启动下一台, 这个时间可以随时的根据需求进行调整, 不仅可以保证系统的正常运行, 同时也可以延长机械的使用寿命。
双恒压的接口是变频控制器能够节能的特殊结构, 双恒压的供水功能是实现节能的基础。
这种变频式的供水系统应用于一些林区的供水, 功率一般不会过大, 由于适用的区域用水流量变换不大, 所以一般采用循环水系统。
2 变频供水系统中带小流量泵设备系统
林区的用水不是一直稳定的, 主要用于生产以及灌溉等。变频器对于供水系统的节能作用, 主要是在于对水泵工作效率的转换上, 水泵的功率越高, 用电量越大。水泵运转效率的大小决定了水泵功率的大小, 像在用水的低谷期, 供水系统中的水流量很小, 但是水泵的运转运行不会因为流量变小而发生改变, 就会造成水泵出现低流量运行状态, 此时水泵的工作效率就大大减小。因此, 这时变频器就无法达到节能的目的了。
因此, 对于小流量以及零流量时供水系统的节能问题就需要进一步采取措施, 在实际的操作中一般都采用了四种方案: (1) 变频主泵+工频辅泵; (2) 变频主泵+工频辅泵+气压罐; (3) 变频主泵+气压罐。多角度分析和综合比较之后, 第四种无论是从能耗还是成本上最为适宜, 只需要为原有的供水系统配备上专门针对小流量和零流量的小型水泵就能解决此类问题。将一至两台流量在3~6m3/h的小型水泵配备到原有的主频供水泵上, 当然, 可以根据实际的使用情况选用水泵的流量。功率的选择一般在1.5到3k W之间, 扬程则需要根据主泵的扬程选择。
变频柜一般都采用的是PLC的控制系统, 供水系统的控制是通过模块化的程序设计。主要的运行方式为:首先, 系统在正常流量下采用的是主泵的循环供水系统, 再此情况下变频器可以最大的发挥作用。当系统中的水量由于需求的减低而减小事, 主泵的运转频率也会跟着降低, 当频率降低到特定的规定值时, 调节器就会做出反应, 发出切换命令, 将系统的供水模式转换到小型水泵系统中。反之, 当系统的用水量加大, 切换后的小型水泵不能满足系统的流量需求之时, PID调节系统又会发出转换信号, 在必要的延时之后, 系统切换成为主泵的供水模式。因此, 使得整个系统可以最大程度的提高效率, 这样才能真正发挥供水系统的变频节能效果。
3 全流量高效变频供水设备
对比较大的林区用水, 若单配主泵机组和小流量泵, 因小泵流量QL和主泵流量QM差别较大, 当流量调节范围在QL~1/3Qm时, 水泵的运行效率仍很低, 导致水泵运行不经济, 浪费电能。并且流量在大于或接近QL时还会出现频繁的换泵操作。为实现在全流量范围内水泵始终能高效率运行, 这就有必要再增加一种中流量水泵, 流量可选为1/3Qm~1/2QM。特殊情况下还可增加2种中流量水泵。这样整体水泵流量选择呈阶梯状, 从而使得设备在任何流量段运行时均处于水泵的高效率段, 更加节能。
变频柜控制核心由PLC和多功能PID调节仪构成, 以三种泵配置为例系统也可实现双恒压供水功能, 中泵和小泵变频时低恒压供水, 主泵变频时高恒压供水。
4 深水井变频供水设备
目前深水井潜水泵采用变频调速控制的也非常广泛, 主要是因为不需再建水塔, 设备占地小, 建设周期短, 水质无二次污染, 水泵软启动软停车, 故障率低, 大修周期延长, 寿命提高。但对夜间也要求供水的系统 (一般居民生活用水都有要求) , 仍存在夜间小流量“费电”问题。一般潜水泵功率较大, 小流量频率f L一般在28Hz以上。如30k W的潜水泵, 小流量频率按30Hz计算, 每天夜间近6h内约有50k W·h电能“浪费”, 一年就是18000k W·h!这还未计入白天小流量时的用电。
5 生活消防合用变频供水设备
在林区, 生活用水的压力并不大, 但是消防压力较之于生活压力则需要专门的考虑。无论在棺材的选取上还是在管路的铺设和设计上都需要进行专门的实地考察, 采取最佳方案配合变频供水设备, 若管材选用适当或消防管路采取防倒流措施, 在采用变频设备及电源可靠条件下, 建议高规适当放宽要求应允许生活消防合用供水设备。同时有以下优点:
5.1 生活消防泵组定时轮换运行, 不会因消防泵长期不用或管理不善而使水泵锈死, 机组时刻处在工作状态。
5.2 生活泵组和消防泵组合用, 基本节省一套消防泵组, 且便于设备管理和维护。
5.3 设备自动化程度高, 供水稳定可靠, 且水质无二次污染。
5.4 水泵软启动软停车, 无冲击和超压危害
系统可按循环软启动变频设备或带小流量泵的循环软启动变频供水设备选型, 主泵流量按生活、消防两者最大的来选择, 并留有1台备用泵, 扬程一般按消防设计压力选择。另外还应注意的有以下几点:
5.4.1 应设消防接口, 如有消防报警系统应设24VDC无源启停接口。
5.4.2 应有消防时确保消防用水的技术措施, 如在生活总管上安装电磁阀, 消防时关闭生活用水。
5.4.3 应设水位接口, 消防低水位报警, 并关闭生活用水。
5.4.4 应有双恒压功能, 即平时低恒压生活供水, 消防时自动转入高恒压消防供水。
5.4.5 消防时应限制退泵操作, 以防止压力不稳。
6 结束语
6.1 供水系统采用变频供水设备可改善供水水质, 且自动化程
度高, 又是国家节能推广技术, 但若选择使用不当, 又会造成电能“浪费”, 达不到预期目标。因此建议设计人员和用户在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑, 在保证可靠供水前提下, 充分发挥变频调速的节能潜力。
6.2 较之于之前传统的供水设备, 自动化的变频供水系统, 可以
快速的对系统中水量变化以及用水需求做出响应, 而且变频设备在系统中控制配置简单, 并且分布集中。无论是管理还是成本分析上都方便简洁, 用户可以根据自己身上的情况以及实际的工程特点进行选取。
变频供水 篇2
湖南通德无负压变频水泵轴封采用耐磨机械密封,无泄露且寿命长,适用于自来水,空调系统,冷却塔,高层建筑,浴室等冷热水加压,也适用于塑料机冷却水循环加压,化工流程冷却塔上水及国民经济各部门输送淡水,咸水或物理性质似水的液体,液体温度小于等等100度,如高温请选用高温型管道泵，材质.泵体,泵盖,叶轮,泵轴用不锈钢制造.无负
而且泵吸力强劲,不锈钢（AISI304）的泵体,封套和调节环,铸铝的电机底座,合成聚合物叶轮,不锈钢泵轴,碳/陶瓷机械密封.异步封闭式电机,过热和超载保护,单相电机的永恒电容保护；对三相电机的保护,可选用一个合适超载保护装置.运行范围,最大流量为5.7m3/min 最高扬程为45米
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无负压变频水泵广泛应用于深井取水,楼宇供水,农业灌溉,园林和喷泉等系统,及其他工业取水.无负压变频水泵安装指导：
变频供水 篇3
【关键词】供水；PLC；变频；供水压力；平稳
一.工艺概述
宁夏煤业集团灵武矿区水电分公司，位置位于宁东镇，主要负责宁东中心区的工业生产及该区域的日常生活用水，日最大供水能力为8000m3/h，为工业及生活用水公用管道，公司供水二级泵站采用泵站为半地下式，水泵为IS型单极双吸卧式离心泵，均采用PLC控制系统。实现管网压力供水的平稳，解决了实际操作困难
二.主要存在问题
近几年，随宁东镇工业的发展，及常驻人口的增加，日供水能力增大，供水管网压力波动大，造成PLC控制系统无法适应。
1、PLC控制原理
在现场控制层，现场各设备信号输入PLC的开关量输入模块（DI模块），PLC的CPU通过逻辑运算和数据转换成为控制信号，由开关量输出模块（DO模块）输出信号，控制各泵动作。另外通过超声波液位计对清水池的水位进行测量，并将所测的数据传输至PLC的模拟量输入模块（AI模块），PLC模拟量进入仪表控制室计算机转换为液位等信号，进行显示，操作工通过计算机对现场水泵出水阀门及其他阀门进行控制。
2、灵武矿区供水公司水泵站PLC控制
主要控制设备为四台IS型单极双吸卧式离心泵水泵，编号如上图依次编号。一台超声波液位计，用于测量实时清水池液位。
根据供水总管压力，通过PLC控制水泵自动启动，具体如下：水泵1#、2#、3#工频运行，综合管网压力设置仪表压力计（采用CY-YZ-1001型绝对传感器）。该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力-电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，输出电压为0～5V，作为反馈信号供给PLC。
PCL将信号转换成压力参数，传输至仪表控制计算机显示，操作人员根据管网反馈压力参数，对水泵出口电动蝶阀进行控制，实现管网压力的调整。
3、存在问题
由于日供水能力增大，供水管网压力波动大，造成PLC控制系统无法适应，主要表现：
（1）用户用水日变化明显，水泵启动频繁，原有PLC控制只能控制水泵的开启及停止，管网压力的调整的只能通过控制水泵出口电动阀门开度。
（2）水泵转速为满负荷运行，频繁压力的调整，及水泵开停，造成耗电量大，运行陈本高。
（3）管网压力波动大，压力波动频繁，操作工操作频繁，压力不平稳，造成管网爆管等事故发生，影响城市的供水。
三、技术改进
切合实际情况，对原有PLC控制系统进行技术改进。对水泵运行采用增设变频器恒压控制系统，在3#水泵装设一台PWM控制变频器变频器。实施方案如图所示：
通过增设变频器，实现水泵转速的变频控制，实现管网压力供水的平稳，解决了实际操作困难，变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路实现水泵转速的变频控制，实现管网压力供水的平稳，解决了实际操作困难。
四、总结
隨着工业的发展，城市供水量日变化、年变化越来越明显，原有的供水设计已经不能满足时代的脚步，主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。
同时传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。
而采用PLC技术及变频调速式的运行方式，十稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
参考文献
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[2]荆绍莹. 水泵调速的节能效果和方案选择.给水排水[J].1991（2）：31-33
[3]颜锦文主编.水泵及水泵站.机械工业出版社，
[4]余孟尝.《模拟、数字及电力电子技术》（上、下）.机械工业出版社，1999
[5]赵长德.《工业用微型计算机》.机械工业出版社，2000
作者简介
建筑变频供水系统研究 篇4
随着国民经济的高速发展, 能源问题越来越突出。在此背景下, 如何解决生产生活过程中的能源浪费问题成为当务之急。变频调速系统由此在各行各业得到了大力的普及, 并也正在发挥着越来越重要的作用。然而, 由于部分设计人员不够了解设备的原理, 往往在选型时张冠李戴, 结果不但达不到预期的节能效果, 还大大增加了成本的投入。因笔者正从事建筑给排水设计工作, 仅以经常遇到的供水系统为例, 做一分析。
2. 供水系统以及设备选型的误区
2.1 第一个误区:变频恒压供水系统一定比普通供水系统节能。
常常见到这样的例子, 只要市政供水压力不足, 设计者就直接设计一套变频恒压供水系统, 而实际上, 变频供水系统并不比设置高位水箱的方式更节能, 甚至在设计机组的型号不够合理的情况下, 能耗比设置高位水箱的供水方式更大。
首先, 这两种方式在供水压力上是相等的, 所不同的是变频系统直接供到用户, 同时水泵调速运行, 水泵的工况点是变化的;而后者属于二次供水, 水泵的工况点是固定的。
我们知道, 一个供水系统输水的单位功耗为
式中Q——单位功耗106J
ρ——水的密度 (常温下为常数) , kg/L;
H——系统供水压力, MPa;
g——重力加速度, 取9.81N/kg;
η——水泵机组的总效率。
我们假设变频系统的水泵在工频运行时和后者的水泵运行时的机组效率是相同的 (通常都是这样) , 且都运行在高效状态;因为调速系统的水泵在减速运行后的大部分时间内效率都比工频运行时有所下降, 而后者由于水泵运行工况点不变, 始终维持原来的运行效率。由此我们不难看出, 实际上后者在同样的供水量下能耗反而比变频恒压供水系统少。当然, 我们仍旧不能否认变频系统存在软启动方式的优势以及设置高位水箱二次供水所带来的二次污染问题, 但认清问题的本质对于我们选择合理的系统是不无裨益的。
2.2 第二个误区:变频供水系统可以不设气压罐和小流量水泵。
有不少人认为变频水泵在系统流量很小的情况下水泵转速也接近于零, 因此此时水泵运行的功率也是极小的, 所以系统没必要再设置气压罐或小泵, 这种看法是相当业余和可笑的。而实际上, 在系统流量接近于零的情况下, 水泵由于要保证系统的压力, 其运行转速约为工频转速的80%左右, 运行功率约为额定功率的60%左右, 而其输出功率接近于零, 故其能量损耗是相当巨大的。尤其是在流量变化较大且经常性维持长时间小流量状态的供水系统来说, 能量的浪费情况尤甚。而设置小流量泵的目的在于, 系统流量较小时改由小泵供水, 这便可维持系统运行在比较高的效率;设计气压罐的作用则在于可避免水泵的不间断运行, 进一步节约能耗。
2.3 选择变频恒压系统水泵的误区:选择的水泵富余值越大越好。
通常选择变频水泵都需要一定的富余值, 这是为了获得更大的调速范围, 然而这个富余量并不宜过大。对于我们通常使用的离心式水泵, 其工频运行在其最佳工况点时, 有
式中P——轴功率;
Ph——流动功率;
△Pm——机械损失功率;
q——流量;
H——扬程。
水泵的效率
η约等于0.6~0.9。在水泵调速运行时, 转速降低, 轴效率P显著下降, 而△Pm基本没什么变化, 从而使△Pm/P的比值增大, 水泵效率降低。选择富余值越大的水泵, 其调速运行后的轴功率与其工频率运行时的轴功率比值也越小, 其效率也更低。通常我们选择额定扬程为设计扬程的1.2~1.5倍并使设计扬程落在该泵的高效运行区内为宜, 当然, 具体选择水泵应通过相应的计算得到。
3. 各种供水系统的水泵选择要点及相关计算。
在式 (1) 中, ρ、g为常量, 因此系统供水的单位功耗取决于供水扬程H以及供水机组的总效率η, 下面我们针对不同的供水系统予以分析:
3.1 固定流量扬程的供水场合
这类供水场合常常出现在工业用水领域;另外, 在设置高位水箱的系统中, 由低位水池向高位水箱供水的水泵也属于这一类。在这类供水系统中, 需要的设计工况点是固定的, 即H是给定的, 所以这类系统选泵的关键就是选择在设计工况点运行效率较高的水泵。
3.2 固定流量, 变化扬程的场合
这类供水系统极少, 通常只出现在一些有特殊供水需要的场合, 在此不予讨论。
3.3 变化流量, 固定扬程的场合
这类供水系统是当今使用最广泛的生活供水系统, 其代表就是变频恒压供水设备。在这套系统中, 系统压力即H是恒定的, 所以唯一决定该系统的供水单位功耗大小的因素就是该系统的运行效率η。
在现在普遍使用的变频系统当中, 多数变频水泵在运行时流量在0~Q0 (Q0为恒压值下水泵工频运行时的流量) 间变化;故其效率也是在0~η0 (η0为该泵工、变频变化运行中的最大效率) 间变化, 很显然在相当一段时间内, 尤其是在流量很小的时候, 水泵处于低效运行状态, 这也是有不少的用户反应变频供水系统不节能甚至能耗更大的主要原因。解决这一问题的办法就是在于避免大泵在小流量下运行。如何做到这一点呢, 笔者以为有如下几种方法:
第一种、采用大小流量水泵搭配的阶梯式供水流量的方案, 实现不同流量段又不同的水泵供水。
其运行方式为小流量为气压设备供水;当流量逐渐增大, 超过气压供水设备的供水范围时, 启动容量较小的一台泵, 气压供水设备延时关闭;随着流量继续增大, 超过该泵在恒压值的最大供水流量时, 启动容量更大的一台泵, 并延时关闭小泵;以此类推, 直到达到系统流量最大值为止。在流量逐渐减小的过程中, 则以此反推, 而其中的关键点是必须设置好每台泵的最低工作频率, 使在该点时的大泵流量正好等于即将投入运行的小泵做能提供的最大流量, 这个值的确认需要我们在选泵的过程中予以确认。
具体选择设备的步骤如下:首先, 选择一套小流量的气压供水设备, 该设备的最大供水流量为Q1;然后选择一台水泵, 使其在流量大于Q1运行时, 效率大于给定值ηmin, 假设该泵流量——扬程曲线方程为
则其调速运行时的曲线方程为
式中k为转速比 (调速后的转速与工频转速的比值) 。
可以求得在流量Q1时的转速比为
式中Q0为该泵在设定恒压下工频运行的流量。系统射定的恒压值为HX。
而水泵调速过程中电机的转差率变化不大, 忽略转差率的变化, 我们可以依据k值确定水泵调速运行的频率下限。
通常在水泵选型手册上, 查到该泵在工频、设定恒压下运行时的流量Q2以及水泵的轴功率N2或效率η2, 由式2.2可得
△Pm=P-Ph=N2-ρg Q2HX= (1-η2) N2式3.3设该泵在流量Q1时的轴功率为P1。则
式3.4
必须令此时的水泵效率
据此所选得的水泵其运行效率始终不小于规定值。假如选择的水泵流量值Q2小于设计流量, 则以Q2值作为下一级水泵的最小设计流量, 同以上计算原理进行计算, 选定下一级水泵, 直到选择的水泵供水能力大于设计流量为止, 我们将得到一组水泵, 其运行效率始终都能保持在ηmin以上。系统在流量减小过程中的最小频率可由式3.2计算得到, 此处不再赘述。
第二种、这种方式是对于目前市场上流行的一种水泵配置方式的改进。
目前最流行的变频恒压给水设备一般由气压供水设备以及一台或几台相同型号的水泵组成, 该方式的主要缺点, 如前所述正在于不能避免主泵在相当长时间内的小流量运行, 本方案在原来设备的基础上加入一台小泵, 使每台主泵在启动前均先启动该小泵 (小泵是否采用变频运行方式可视情况而定) , 主泵在降速运行的过程中控制的最小频率一样可通过式3.2得到。此方式可使原系统的供水效率得到较大改善, 使系统运行的平均效率维持在较高的水平。
第三种、这种方式与第一种方式类似。假设该系统设置3台主泵, 按容量大小依次为1#、2#、3#泵, 第一种方案各泵依次运行并依次退出, 这必然使3#泵的容量相当大, 在大流量的场合往往增加了系统的投资, 而本系统的在运行方式上加以改进, 使3台泵的总流量等于设计流量。开始时, 各泵与第一种方式运行方式一致, 不同的是, 到3#泵运行时, 随着流量持续增大, 无法维持系统压力时, 则再次启动1#泵, 流量继续增大, 则启动2#泵, 延时关闭1#泵;流量继续增大, 则再次启动1#泵。各泵退出顺序则按启动的反向顺序退出, 频率控制同第一种控制方案。本方案的优点在于充分利用了各泵的容量, 利用了各泵的搭配运行从而满足了不同流量段的运行需要。
以上三种方案仅是笔者为抛砖引玉所举的几个例子, 在实际的水泵选型过程中, 如何以最简便的控制方式, 最简单的机组配置实现机组在不同流量段的高效运行, 是我们在设计供水系统的时候需要充分注意的问题。
3.4 变化流量, 变化扬程的供水场合
在工程上通常称满足这种特性的供水系统为“变量变压供水系统”。由于在一个供水系统中, 系统需要的压力是随着供水流量的上升而上升的, 而普通的恒压供水系统往往按最大设计流量来设定系统的压力, 从而使系统在较小流量运行时系统压力偏大。而变量变压供水系统能在不同流量下的提供与之想匹配的供水压力, 从而杜绝了恒压系统的压力富余, 节约了能耗。
以某供水系统为例, 该供水系统的管路特性曲线通常满足下式
式中H——系统需要的最小工作压力 (扬程) ;
Z——设备至最不利供水点的高差;
K——管路综合阻力系数;
h0——用水点需要的最小服务水头。
本系统通常采用plc控制的变频水泵机组, 该机组可通过设置在机组供水出口的流量计返回的流量值计算得到系统需要的压力, 设定这个压力后, 其运行方式与变频恒压供水方式相同, 所不同的是该系统不断重复计算并调整系统压力值, 这个压力值可按式3.6计算得到。下面我们来配置系统的水泵。
同3.3所例举的方案, 先配置气压给水设备, 然后选择上一级的水泵, 由式3.1可得
可以知道, 当k=1时, 该泵达到工频运行, 据此我们可求得该泵工频运行时的流量
为了保证该泵的高效运行, 同样要求其参数满足式3.5。重复上述计算, 我们可以得到与3.3的第一种方案所对应的变压变量供水机组。为简化控制, 我们也可通过计算确定几个流量段, 当系统流量在不同的流量段时, 赋予与该流量段最大值所对应的设计压力, 从而实现梯段性的供水压力策略, 简化了系统的控制。
4. 综合上面的计算和分析, 我们不难看
出, 提高变频供水系统的供水效率是节约能耗的唯一途径, 而实现这一目标的方法有两个, 即:一、尽量选择高效率的水泵;二、控制水泵变频运行的下限, 保证水泵维持在一定效率以上运行。
结语
变频机组水泵的选型是一项需要认真对待的工作。目前市场上流行的配置也非常多, 多数都是成套的设备, 笔者就经常遇到一些对水泵的选型不甚了解的销售商或技术员。而作为设计者的我们, 经常喜欢套用他们成套的设备或干脆将设备的选型留给厂家, 这是很不负责任的。变频给水机组的选型, 需要我们通过认真的计算和比较来确定。而且, 我们不仅要了解水泵的性能, 更要全面了解供水机组各种其他设备的性能和原理, 只有这样, 才能使我们所设计的供水机组更趋合理和完善, 充分发挥其应有的节能效果。
摘要：本文通过对当今变频供水系统设计中的误区的讨论, 指明了目前设计供水系统的过程中存在的主要问题, 并通过相应的计算和对不同供水需要的场合的设计举例, 指出了变频系统设计过程中, 维持系统高效率运行是保证变频泵组节能效果的必要途径。此外, 还将大小型号的水泵搭配运行作为提高系统运行效率的途径, 并做了详细的讨论。
关键词：水泵,变频恒压供水系统,效率,功率,流量,扬程
参考文献
(1) 郭立君, 何川主编.泵与风机, —3版.—北京:中国电力出版社, 2004.8.
(2) 曾毅等编著.变频调速控制系统的设计与维护, —济南:山东科学技术出版社, 2002 (第二版) (2005.3重印) .
变频供水 篇5
我国是全球人均水资源最贫乏的国家之一，人均水资源总量为2300立方米，仅为世界人均水平的1/4。由于水资源时空分布不均，受人口密度、经济结构、作物组成、节水水平等诸多因素的影响，中国农村地区水资源短缺的现象十分严重。相关资料表明，全国农业年正常用水缺300亿立方米，农村有8000万人口、6000万头牲畜饮水困难。由于城乡发展二元结构的存在，农村用水的保障优先性低于城市和工业，农村自来水普及率尚不到40%，仅有14%的村庄有供水设施，用水器具质量和效率低，处理设施简陋，供水保证率很低。一些地方虽然水资源较丰富，但由于供水设施简陋或根本没有供水设施，直接从河道、坑塘、山泉、浅井取水，水源安全性得不到保证。另外一些地区季节性缺水严重，干旱季节缺水时需远距离拉水或买水。近年来，气候变化大，干旱严重，地表水水量减少，地下水位下降，泉水枯竭，生产和生活用水量大幅度增加，工农业争水、城乡争水尤其严重，农村地区生活饮用水不足问题更加突出。
在农村，水利设施落后成为制约农民安全用水以及农村发展的至关因素。一方面要增强农民安全用水意识，另一方面要建立先进的水利工程，两手准备才能起到立竿见影的效果。
随着近年来国家对社会主义新农村的高度关注，农村水利工程也提上了改革日程。作为民族供水设备品牌，为了更好的发展民族企业，加快社会主义新农村建设，保障农村用水安全。中崛供水因地制宜创造了微电脑变频恒压供水设备。与传统的农村水泵抽水至楼顶水塔（箱）相比，微电脑变频恒压设备更加节能、便捷、干净、智能。
传统的水泵将水抽至农田当中，或者远距离没有水源，在农作物中安装一两台水塔，将水抽至水塔中。这样的灌溉方式最大的缺点就是需要专人守护在旁，时刻关注灌溉情况。
微电脑变频恒压供水设备可以实现无人控制智能化管理，水压差多少补多少，可以分段供水，定时供水，手动选择工作方式。并且设备可以实现自我保护的功能，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。
发展农村供水、保障饮水安全和灌溉安全是农村居民生存的基本需要，是贯彻落实“以人为本”、“构建和谐社会”的必然要求，也是全面建设农村小康社会和社会主义新农村的重要任务之一，对改善居民生活环境、提高卫生健康水平、解放农村劳动生产力、促进农村社会经济发展具有重要的意义和作用。
变频供水 篇6
前言
水的供给是通过水泵站的水泵向下一水泵站进行一级一级的传输的，但是各个水泵站的工作环境和使用的设备可能有差别，这样就会造成上一级水泵站的流量和下一级水泵站的流量不一致，也就会造成水泵站不能正常的工作，为了解决这一问题，我们就要找到有效的方法对各水泵站的水泵进行流量的均衡。通常我们使用的方法比较简单，就是在各级水泵房装上阀门，通过调节阀门的开口来达到调节水泵流量的目的。这个方法虽然很简单，但是这样会很容易把阀门给冲刷坏掉，同时阀门的加入也会使整个管路的阻力大大的增加，也会使整个管路的能耗增加，如果我们没有将阀门的开口大小调节好的，就可能会造成水泵的负载变大，间接的造成水泵的损坏，减少了水泵的使用时间。所以，我们要找到一种新的方法来调节水泵的流量，同时也要减小管路的阻力，保护水泵的寿命。目前的水泵设计时也考虑了变频功能，所以我们就使用变频功能对水泵的流量进行调节。
1.变频技术
正常使用的工业用电是50Hz的，在这个频率下电机是处于最高转速的，变频电机的好处就是可以通过改变输入电的频率来改变电机的转速。现在的水泵中已经在电机的选择上使用了变频电机，我们在使用的时候，可以通过一个变频器对变频电机进行信号的输入，从而改变电机的转速，目前这种技术已经被广泛的使用在工业生产中了，并且已经变的十分成熟。
交流异步电动机的转子转速可用下式表示：N=60f/p（1-s）式中： N———变频电机的转速，r/min；f———定子供电电源的频率， Hz；p———电动机的极对数；s———电动机的转差率。
从公式中可以看出，在变频电机转速差很小的时候，变频电机的转速和输入端电源的频率成正比。所以通过改变输入端电源的频率就可以对变频电机进行无级调速，并且调速的过程非常平稳。电动机转速降低就会带动水泵的转速降低，同时叶片的工作扭矩就会降低，整个电动机的功率也会随着下降，同样的电动机转速升高就会带动水泵的转速升高，同时叶片的工作扭矩就会增大，整个电动机的功率也会随着增加。调速的方式可以分为恒扭矩和恒功率调速，在不同的工作环境中我们可以使用不同的方式进行变频电机的调速，从而得到我们所需要的结果。
2.变频系统的组成
通常我们使用较多的变频系统由变频器。控制器组成。变频器的生产厂家大都是国外的一些知名电器厂家。控制器主要是用来调节变频器的，控制器一般由PLC、处理器等组成，外部流量计检测到的流量信号经过程序处理后在通过PLC向变频器发出变频信号，从而达到对变频器的调节，从而达到对电动机的调节，进而达到对水泵流量的调节。
3.变频调速系统的控制方式与实现过程
3.1控制方式
根据外部流量计检测到的流量信号通过控制器对输入端的电源的频率进行控制的方式有两种，一种是开环控制，另一种是闭环控制。开环控制就是指不通过管道的反馈人为的进行控制，闭环控制就是指控制器先对检测信号进行判断，然后再进行控制，是需要时间判断的。对于不同的工作环境和水泵的型号使用不同的控制方式，也可以两种控制方式结合在一起使用，这样的效果会更好一些。
3.2实现方式
开环控制：变频器不安装在水泵工作现场，而是将它安装在配电室，在需要对变频电机进行调节的时候，工作人员使用控制器对变频器进行调节，这样就能调节变频电机的转速，实现对水泵流量的调节。
闭环控制： 将流量计安装在出口管道上，这样就可以检测到水泵的流量，流量计会发出一个0-20mA的电流信号，PLC可以根据这个信号来判断水泵的流量，当流量发生变化的时候，PLC就会自动的发出信号来调节变频器的频率，从而进行调节变频电机的转速，进而使水泵流量稳定在设定值。
4.变频调速技术在水泵控制中的节能计算
根据水泵相似类关系式P/P0=（N/N0）3计算，式中为P0额定转速N0时的功率；P为转速N时的功率。以一台水泵使用的600kW电机为例。运行工况以24小时连续运行，并且每天运行在90%负荷（频率按45Hz计算， 阀门调节时功耗按98%计算），全年运行时间在300天为计算依据。则
阀门调节时每年的耗电量为：
W1=600×0.98×24×300=4233600kW
变频调速时每年的耗电量为：
W2=600×（45/50）3×24×300=3149280kW
相比较节电量为：
W=W1-W2=4233600-3363932=1084320kW
按照工业用电进行计算，每度电0.82元，使用变频技术后，一台水泵一年能够节约889142元的电费。
5.结束语
为了解决水泵站之间因为外界原因而来带的流量的不均衡的问题，我们将变频技术引入到水泵站的供水工作中。本文先描述了水泵站存在的问题，又介绍了变频技术的原理和变频的调节方式，将变频技术应用到水泵的流量调节上，不仅能够有效调节水泵的流量，同时也要减小管路的阻力，保护水泵的寿命，而且还能大大的节约电能，降低成本。
参考文献
[1]袁云，俞赛峰，林磊，张立民.排水泵站变频节能的工程实践和机理初探[J].排灌机械，2006，05：25-28.
变频供水设备的应用探讨 篇7
1 普通的变频供水设备
在当前供水系统中, 应用最为广泛的应属循环软启动类型的变频供水设备, 其组成较为简单, 由水泵、仪表、变频柜及各种管路构成, 在这种供水系统中, 其水泵数量不宜超过四台, 以三台为最佳。当利用三台水泵进行日常供水时, 则首先由一台水泵进行供水, 当其无法满足供水要求时, 则变频柜则会将运行的水泵转为工频运行, 然后开启第二台水泵, 而当二台水泵运行仍无法供水量要求时, 则会启动第三台水泵, 而当用水量减小时, 则会依照启动的顺序, 依次将水泵停止, 当只有一台水泵运行时, 则会使其恢复恒压。而在实际运行过程中, 为了避免水泵出现超负荷运行的情况, 往往会对水泵运行时间进行设定, 而这个时间并不具有确定性, 会根据实际的需求来进行调整, 从而确保系统运行的稳定性, 而且有效的避免水泵超负荷运行情况的发生, 确保了设备使用寿命的延长。另外利用变频器在供水设备上应用, 还可以有效的实现节能的目的, 而在变频器实现节能的关键部位则取决于双恒压的接口, 这是实现节能的特殊结构, 所以可以说双恒压供水功能是实现节能的关键和基础, 通常应用于用水流量变换不大的区域, 在林区具有较好的适用性, 而且通常会采用循环水系统。
2 带小流量泵的循环软启动变频供水设备
当变频供水系统在小流量或零流量的情况下, 比如在夜间用水低谷时, 系统内的用水量很小, 此时水泵在低流量下运行, 会造成水泵效率大大降低, 不能达到节能的目的, 水泵功率越大用电越多。这就涉及供水系统在小流量或零流量时的节电问题, 一般可以采取四种方案: (1) 变频主泵+工频辅泵; (2) 变频主泵+工频辅泵+气压罐; (3) 变频主泵+气压罐; (4) 变频主泵+变频辅泵+气压罐。
从节能、投资角度看第4种方案更为适宜, 该方案即在原变频主泵基础上, 再配备1-2台小泵专用在夜间或平时小流量时变频供水, 一般选择小泵流量为3-6m3/h, 居民区户数越多, 流量可适当选择大些。小泵功率一般为1.5-3k W, 小泵的扬程按主泵扬程或略低于主泵扬程即可。变频柜采用PLC控制, 程序采用模块化设计。平时系统运行于主泵循环软启动变频供水模式, 系统用水量减小时, 主泵频率逐渐降低, 当频率低于小流量频率时, PID调节器发出低频切换信号, 延时后, 系统自动进入小泵变频供水模式。当用水量增大, 小泵流量不能满足系统需要时, PID调节器发出满频信号, 延时后, 系统自动返回主泵循环软启动变频供水模式。为达到更好的节能效果, 系统也可实现双恒压供水功能。
3 全流量高效变频供水设备
对比较大的林区用水, 若单配主泵机组和小流量泵, 因小泵流量QL和主泵流量QM差别较大, 当流量调节范围在QL-1/3Qm时, 水泵的运行效率仍很低, 导致水泵运行不经济, 浪费电能。并且流量在大于或接近QL时还会出现频繁的换泵操作。
为实现在全流量范围内水泵始终能高效率运行, 这就有必要再增加一种中流量水泵。特殊情况下还可增加2种中流量水泵。这样整体水泵流量选择呈阶梯状, 从而使得设备在任何流量段运行时均处于水泵的高效率段, 更加节能。
4 深水井变频供水设备
目前在深水井供水设备上应用变频调速技术来进行控制也较为普遍, 在深水井潜水泵上应用变频调速技术, 有效的节约了成本, 不需要建水塔就可以满足供水的要求, 设备不需要占有多大的土地, 建设周期较短, 水质不会产生二次污染, 水泵在启动和停车时都采用软启动和软停车, 有效的降低了故障发生率, 确保了设备使用寿命的延长。但在深水井潜水泵上应用变频供水设备对于需要夜间供水的系统还会存在小流量费电的问题。深水井潜水泵通常情况下功率都较大, 这样在夜间运行时, 水泵处于低效率运行状态, 耗电量增加, 这样日积月累下来, 电能存在着严重的浪费情况。
5 生活消防合用变频供水设备
在目前建筑设计时, 为了确保消防安全的需求, 则规定多层建设消防纷呈可以与生产和生活给水管道合用, 但对于高层, 则需要将室内消防给水管道与生产和生活用水管道分开, 分别独立进行管道的设置。目前在高层建筑中, 一些小高层建筑也越来越多, 对于12层以下的小高层, 其供水压力不大, 所以对于这类小高层可以在规定上适当放宽, 在确保选择合适管材的基础上, 同时还要采取科学有效的水防管路防倒流措施, 利用变频技术, 也可以将消防用水管道与生产和生活用水管道进行合用。
生活消防合用变频供水设备有以下优点:
(1) 当生活和消防供水设备合用时, 水泵可以处于轮换运行状态下, 有效的避免了消防水泵长期不用而出现锈死的情况, 有效的提升了供水设备的利用率。
(2) 而且生活消防供水设备合用时, 只需要设置一套供水设备即可, 有效的降低了成本, 而且易于实现对设备的管理和维护。
(3) 在合用的情况下, 有效的提升供水设备的自动化水平, 确保了供水设备运行的可靠性, 而且不会发生水质二次污染的情况。
(4) 水泵软启动软停车, 无冲击和超压危害。系统可按循环软启动变频设备或带小流量泵的循环软启动变频供水设备选型, 主泵流量按生活、消防两者最大的来选择, 并留有1台备用泵, 扬程一般按消防设计压力选择。
6 结束语
变频技术在供水设备上的应用, 有效的提高了供水设备自动化的水平, 使水质得到改善, 实现了节能的目标。但在实际供水设备方案确定时, 还需要综合多方面的因素进行综合考虑, 在确保供水可靠性的基础上, 使变频技术的节能潜力得到更好的发挥出来。
参考文献
[1]蒙联光.变频调速“无负压”供水技术的应用[J].中国科技信息, 2010 (14) .
[2]杨建峰, 李晓玲, 赵东波.变频调速恒压供水系统浅析[J].科技情报开发与经济, 2008 (28) .
恒压变频供水电气控制系统 篇8
常规的供水系统采用水泵定速控制, 通过改变阀门大小的方法调节流量和压力, 以达到水压恒定。这种方式在运行中存在以下问题: (1) 整个系统稳定性差, 自动化程度低, 使得溢水管经常排水造成资源浪费。 (2) 供水设备控制有几台水泵, 由于长期高速运行, 不仅造成电能的浪费, 而且易使轴承损坏, 影响泵的使用寿命。 (3) 每年夏天用水高峰时段水压不能得到保证, 当出现了突发性电网故障时, 由于水量不足给企业生产造成不便。
为了提供恒压供水, 对供水系统进行改造就显得非常重要。本文采用三菱PLC和变频器FR-A500设计了一种恒压供水控制系统, 可有效减轻工作人员的负担, 提高供水系统的优化运行程度, 增强系统抗干扰性, 避免硬件老化损失。
供水设备控制1~3台水泵, 在这些水泵中, 只有一台变频泵。当供水设备供电开始时, 先启动变频泵, 管网水压达到设定值时, 变频器的输出频率就稳定在这一数值上。而当用水量增加, 水压降低时, 通过安装在出水管网上的压力传感器, 把出口压力信号变成4~20mA的标准信号送入PLC的A/D单元, 经PLC的PID调节器运算与给定的压力进行比较, 得出一比较参数从PLC的D/A单元送出, 送给变频器, 由变频器控制电机转速, 调节系统的供水量, 使供水管网的压力保持在给定的压力上, 当用水量超过一台泵的供水量时, 通过PLC控制切换电路进行加泵。当变频器运行频率到达上限, 会将频率到达信号送给PLC, PLC根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号, 由程序判断是否要启动第2台泵 (或第3台泵) 。当变频器运行频率达到频率上限值, 并保持一段时间, PLC则会将当前变频运行泵切换为工频运行, 并迅速启动下一台泵变频运行。压力设定信号和压力反馈信号输入PLC后, 经PLC内部PID控制程序的计算, 输出给变频器一个转速控制信号。此时PID会继续通过送来的检测信号进行分析、计算、判断, 进一步控制变频器的运行频率, 使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速, 实现恒压供水。
下图所示即为变频恒压供水系统。
其中可编程序控制器 (简称PLC) 不但可以进行逻辑控制, 而且可以进行过程控制。具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点, 而且其总线与网络能力越来越强, 可方便地与上位机组成控制系统, 实现系统的高性价比和高效能运作。变频器的作用是为电机提供可变频率的电源, 实现电机的无级调速, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数, 从而使管网水压保持恒定。在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求, 是当今最先进、合理的节能型供水系统。压力传感器的作用是检测管网水压, 触摸屏为系统提供参数设定以满足用户需求的水压期望值。由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速, 实现恒压供水。
二、系统组成
由PLC控制与变频器控制相结合的恒压控制供水系统, 不论是设备的投资, 运行的经济性, 还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势, 而且具有显著的节能效果。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合, 并且与供水机组的容量大小无关。
1. PLC。
可编程序控制器 (简称PLC) 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它是以微处理器为基础, 综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术, 用面向控制过程、面向用户的简单编程语句适应工业环境, 是简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器, 是当代工业自动化的主要支柱之一。这种控制方式具有良好的通信接口, 可以方便地与其他系统进行数据交换, 其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。PLC通用性强, 由于其产品的系列化和模块化, 用户可组成各规模和要求不同的控制系统。在硬件设计上, 只需确定PLC的硬件配置和变频器的外部接线。当控制要求发生改变时, 可以通过PC机来改变存储器中的控制程序, 所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高, 因此系统的可靠性大大提高。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展, 以及工业自动化控制越来越高的需求, PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上, 都有很大的提高。现在的PLC已不只是开关量控制, 其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围, 具备了模拟量控制、过程控制及远程通信等强大功能。
2. 变频器。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为频率可变的电能控制装置。通过PLC模拟量输出端子来控制其频率及其复位操作, 从而实现电机速度跟随压力给定, 保证管网水压的恒定。变频器主要是由主电路、控制电路组成。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分, 控制电路是给异步电动机供电 (电压、频率可调) 的主电路提供控制信号的回路, 变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性, 可以实现软启动和无级调速, 进行加减速控制, 使电动机获得高性能, 而且具有显著的节能效果。所以应用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量, 从而利于实现生产过程的自动化。
3. 人机界面。
人机界面 (Human Machine Interaction, 简称HMI) 是连接PLC、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备, 利用显示屏显示, 通过输入单元, 如触摸屏等写入工作参数或操作指令, 实现人与机器信息交互的数字设备。它由硬件与软件两部分组成, 用户必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”, 再通过PC机和HMI产品的串行通信口, 把文件下载到它的处理器中运行。
4. 特殊功能模块。
该系统设计有模拟量输入点2个, 模拟量输出点1个。利用转换模块FX2N-2AD可实现模拟量输入信号的采集, 利用FX2N-2DA可实现模拟量输出信号的采集。
三、任务实现
系统开始供水时, 变频运行;三台泵根据恒压的需要, 采取先开先停的原则接入和退出;在用水量小的情况下, 如果一台泵连续运行的时间超过3小时, 则要切换到下一台泵, 可避免某一台泵长时间工作。三台泵的启动要延时, 以减小电流过大时对其他用电设备的冲击。要有完整的报警功能。对电机的操作有手动和自动两种功能。
1. 系统电气原理图。
2. 系统程序设计。
在初始化程序中完成系统初始化, 这样可节省扫描时间。利用定时器的中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。通过该型处理器专用PID指令设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。
3. 总程序的顺序功能图 (自动运行和手动运行) 。
(1) 自动运行顺序功能图。
(2) 手动运行顺序功能图。
总之, 采用该PLC控制的恒压变频供水系统能保证足量用水, 同时很大程度上降低了维修的劳动强度和延长了设备的使用寿命, 不仅解决了现供水系统存在的问题, 而且节能效果显著, 从节能和改善供水条件上有着重大的价值。
摘要：随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高, 变频恒压供水系统已经逐渐取代了原有的传统供水系统, 并广泛应用于现代生活的各类供水场合。本文介绍了三菱PLC和变频器在供水系统中的恒压控制方法, 分析了控制系统的组成结构, 设计了梯形图控制程序。该系统介绍的综合控制系统性能可靠, 操作方便, 自动化程度高, 人机界面直观, 有较高的应用价值。
关键词：恒压供水,PLC,变频调速,PID
参考文献
[1]金传伟, 毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用[J].电子技术应用, 2000.
变频供水 篇9
中短波广播发射台大都远离城市, 生活用水基本靠自台解决, 我台台区有一套供水系统, 生活区有两套供水系统, 都属于定压变频供水系统, 而供水系统的安装与调试都是由厂家承揽, 厂家没有提供电路图和有关参数设置方法, 系统一旦出现问题, 自台无法进行检修, 都需要由厂家进行有偿服务, 不仅维修不及时, 而且还增加了费用。一次, 我台生活区一套定压变频供水系统出现问题, 导致供水中断, 为降低维修成本, 台组织检修人员根据实际线路绘制出供水系统的电路图, 并找出故障原因, 快速处理了故障。事后, 通过分析控制电路, 我们发现该供水系统存在着一些问题, 经查找供水方面的资料和调研, 得知供水技术已发展到恒压变频供水水平上, 为提高供水质量, 节省资金, 我台大胆尝试, 使用微机供水控制器, 将定压变频供水系统改造为恒压变频供水系统, 并增加了手动控制功能, 确保供水的连续性, 取得了非常好的效果, 同时锻炼了维护队伍。
2 定压变频供水系统原理
定压变频供水系统由变频器、电接点压力表、中间继电器等器件组成。变频器是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压, 再由逆变桥变换为频率可调的交流, 作为交流异步电动机的驱动电源, 使电动机获得调速所需的电压、电流和频率。电接点压力表的上、下限用来设定水压范围, 当管道压力达到上限时, 控制变频器输出使水泵停转;当压力降到下限时, 控制变频器启动水泵运转, 实现一定压力范围内供水。
图1为台生活区定压变频供水系统图, 该系统由水箱、管道、水泵、变频控制柜、储水罐和28家用户组成。自来水通过浮子开关自动注入水箱, 只要水位低于浮子最高水位, 则一直向水箱注水, 水箱低水位信号由一只电缆浮球液位开关给出, 当浮球随液位下降到一定距离时, 液位开关断开, 进行缺水保护, 水泵停转。水泵为单吸多级立式离心泵, 型号32LG6.5-15×3, 流量6.5m3/h, 扬程45m, 电动机功率2.2kW, 采用单泵运行方式 (一主一备) 。两台水泵进、出水管道安装有阀门和逆止阀, 电接点压力表根据实际要求, 设定上、下限压力, 控制变频器启/停, 电动机频率逐渐升到预设频率或逐渐下降为零, 使得电动机轴平均扭矩和磨损减小, 以延长水泵与电动机的使用寿命;同样, 可使水压逐渐升高, 以避免水流冲击造成管道、仪表、阀门等损坏, 在一定程度上, 减少了维修量和维修费用, 实现泵房无人值守。
图2为定压变频控制系统原理图。在图2中, QF为变频控制柜总电源开关, HL1为电源正常指示灯, HL2为1#水泵指示, HL3为2#水泵指示, SA为1#、2#水泵选择开关。定压控制主要通过电接点压力表和两只中间继电器 (KA1、KA2) 来实现。其工作原理为:A相电源送到KA1、KA2定压控制继电器线圈上, 若供水管道压力小于压力表下限时, 压力表动触点 (公共端) 与下限静触点相接, A相电源经KA2线圈通过KA1-3、11常闭接点与零线构成回路, KA2线圈带电, KA2-6、10常开接点闭合, 短接压力表下限与公共端, 起自保作用, 同时常闭接点KA2-11、7闭合;若SA倒置1#水泵工作, A相电源通过KA2-11、7常开接点、KM1线圈、KM2常闭接点与零线构成回路, KM1线圈带电吸合, 若水箱水充足, 液位开关闭合, KA2-9、5与液位开关串联短接松下DV707变频器I1、G端子 (正转启动) , 变频器输出电压、电流、频率从零开始逐渐升到设定值上 (根据供水压力, 结合水泵扬程, 频率初始值设置为42Hz) , 1#水泵运转, 当管道水压达到压力表上限时, 公共端与上限静触点相接, KA1线圈带电, KA1-3、11常闭接点断开, KA2线圈失电, 且KA2-11、7常开接点已由闭合转为断开, KM1线圈失电, 1#水泵停转;当用户大量用水后, 管道水压下降, 降到电接点压力表下限时 (此时KA1线圈已失电, 其常闭接点KA1-3、11闭合) , KA2吸合, KM1吸合, 变频器启动, 1#水泵运转, 这样周而复始地保持定压变频供水。
为保持供水连续性, 电接点压力表上、下限调整距离要小, 上限为0.3Ma, 下限为0.2Ma。变频器要事先进行参数设置, 才能正常工作, 表1为松下DV707变频器参数设置。
这种定压变频供水系统通过先启后停方式来维持供水系统压力, 虽然简单, 但是还存在如下问题:
(1) 主用水泵长期运行磨损严重, 备用水泵长期不用生锈严重, 需要维护人员定期倒泵。
(2) 水压为一定范围内的定压, 水压不稳定, 时大时小。
(3) 当变频器或电接点压力表、继电器出现故障后, 整个供水系统瘫痪, 只能等专业维修人员来处理。
3 恒压变频供水控制系统设计与原理
基于定压变频供水存在的问题, 给用户生活带来不便, 为保证供水的连续性, 提高人们的生活质量, 通过查找有关供水资料, 决定将定压变频供水改造为恒压变频供水。恒压变频供水系统主要由微机供水控制器、电位器式远传压力表、变频器等构成。电位器式远传压力表检测管网水压, 将压力反馈信号输入微机控制器后, 反馈压力实际值与设定给水压力值进行比较, 其差值输入到PID回路处理后, 送给变频器一个转速控制信号, 变频器输出相应电压、电流和频率信号控制水泵的转速, 完成供水压力闭环控制。当水泵出口压力低于给定压力时, 变频器输出频率增加, 电机转数提高, 水泵流量增大, 压力增高;反之则减少, 保证系统压力恒定, 从而达到系统压力稳定。
参照DHC8100微机供水控制器的基本功能, 根据用户实际需求和维护上的便利, 自行设计了恒压变频供水控制系统, 并增设了自动/手动供水控制及定期倒泵功能。用微机供水控制器作为主控单元, 与电位器式远传压力表 (0-0.6MPa) 、交流接触器、转换开关、热继电器、中间继电器、DV707变频器、电接点压力表等部件组成恒压变频供水控制系统。远传压力表安装在水泵出水管上, 实时显示当前水压, 反馈输出相应电信号送至微机供水控制器, 控制变频器的输出。
图3为恒压变频控制系统原理图, QF为恒压变频控制柜总电源开关, HL1为电源正常指示灯, HL2为1#水泵指示, HL3为2#水泵指示。两台水泵电机分别为M1、M2。M1由交流接触器KM1、KM3控制, M2由交流接触器KM2、KM4控制, 其中KM1、KM2是工频运行交流接触器, KM3、KM4是变频运行交流接触器。SA1是自动/手动选择开关。若SA1置于手动位置, A相电源分为两路, 一路送1#、2#水泵选择开关SA2上, 通过控制KM1、KM2通/断, 来控制两台水泵 (工频) 起/停, FR1、FR2分别为两台水泵电动机 (工频运行) 过载保护热继电器;另一路送工频定压控制继电器KA1、KA2线圈上, 进行定压控制。若SA1置于自动位置, A相电源经SA1送到交流接触器KM0线圈与零线构成回路, KM0吸合, 供给变频器三相电源与微机供水控制器单相电源。微机供水控制器+5V、IN1、GND端子连接远传压力表, 检测供水管道水压。C相电源经熔断器FU、中间继电器KA3线圈、液位开关与零线构成回路, 水箱水位高时, 液位开关断开;水箱水位低时, 液位开关接通, 这时KA3线圈带电吸合, 常开接点KA3-8、12接通, CT2与COM短接, 水泵停止运行, 显示Er03报警。另外, 常闭接点KA3-1、9与KA3-2、11分别接1#水泵、2#水泵工频控制电路中, 当缺水时, 控制电路断开, 水泵停转。微机供水控制器模拟输出D/A、G端子接变频器频率控制FIN1、G端子, 输出变频器频率给定0-10V电压信号, 实时控制变频器的输出;开关量输出FR、CM端子为常开触点, 接变频器运行控制I1、G端子, 控制变频器正转启动;B1、D1输出端子分别接交流接触器KM3、KM4线圈控制回路, 直接驱动接触器220VAC线圈, 常闭接点KM3、KM4起互锁保护作用。微机供水控制器面板上有设定压力和实时压力显示, 根据实际要求, 压力设定为0.26Mpa。实际工作时, 变频器显示输出36.6Hz频率。
当微机供水控制器或变频器出现致命故障无法正常工作或水泵巡检时, 可采用手动方式控制水泵运行, 变为工频定压供水。其工作原理:SA1倒置手动后, A相电源送到KA1、KA2工频定压控制继电器线圈上, 若此时供水管道压力小于电接点压力表设置下限时, 压力表动触点与下限静触点相接, A相电源经KA2线圈通过KA1-3、11常闭接点与零线构成回路, KA2线圈带电, KA2-6、10常开接点闭合, 短接压力表控制, 起到自保作用, 同时, KA2-11、7常闭接点闭合, 该接点接KM1、KM2线圈公共回路。若SA2置于1#水泵位置, A相电源通过KM2常闭接点、缺水保护继电器KA3-1、9常闭接点、KM1线圈、FR1常闭接点、KA2-11、7常开接点与零线构成回路, KM1线圈带电吸合, 1#水泵工频启动运转, 当供水管道水压达到电接点压力表设置的上限时, 公共端与上限静触点相接, 继电器KA1线圈带电, KA1-3、11常闭接点断开, KA2线圈失电, KM1线圈失电, 1#水泵停转, 当用户大量用水后, 管道压力下降, 当降到电接点压力表下限时 (此时KA1线圈已失电, 其常闭接点KA1-3、11闭合) , KA2吸合, KM1吸合, 1#水泵运转, 周而复始工作保持定压供水工作 (电接点压力表上限为0.3Ma, 下限为0.2Ma) 。
恒压变频控制系统方案确定后, 按照图3对变频供水控制柜进行了改造, 改造之后, 首先对DHC-8100微机供水控制器和松下DV707变频器相关运行参数进行了设定。表2为DHC-8100微机供水控制器参数设置表, 表3为松下DV707变频器参数设置表。加电一次成功, 经过一年运行, 没有出现一次故障, 水压稳定, 操作简单实用, 受到维修人员和用户的普遍好评。
4 结束语
实践证明, 我台生活区恒压变频供水控制系统改造是非常成功的, 与原定压变频供水系统相比, 具有如下优点:
(1) 自动化程度高, 停电或停水自动停机, 来电来水自动开机。根据用水量, 自动调整水泵转速, 无需人工操作。
(2) 定时换泵, 当1#泵工作时间达到设定值后, 控制器自动停止1#泵, 启动2#泵, 保证两台水泵运行时间均等, 延长电动机和水泵使用寿命。
(3) 具有手动/自动两种工作方式, 操作简单, 实用性强, 确保供水连续性。
变频供水 篇10
关键词：供水系统,异步电机,效率优化,节能
根据美国水力学研究所统计,在发展中国家20%的能源消耗在各种泵类设备上[1]。城市供水系统一般由水泵、异步电机及各种管网设备构成,其功耗问题比较复杂,需要考虑多方面因素[2,3]。经过几十年的发展,城市供水系统经历了工频、变频恒压、变频变压和管网叠压几个阶段,其节能效果有了极大的提高。然而,这些系统主要着眼水泵效率及管网特性的研究,将水泵简化为二次方型负载后,通过设置变频器的恒转矩或降转矩V/f曲线对异步电机进行调速,仍存在很大的节能空间[4,5]。
异步电机的效率优化策略,可分搜索法和模型法两类[6,7]。搜索法存在收敛时间长,转矩振荡等问题。模型法根据电机的损耗模型,进行实时控制,通常需要速度传感器提供反馈信号。
本文首先对水泵的负载特性进行分析,结果表明水泵转速降低时其负载特性低于理论的二次方转矩负载,其节能潜力亟需提升;水泵的出口水压和流量与水泵转速之间存在对应关系,根据压力和流量传感器的值即可辨识出电机转速,从而降低了系统成本。在此基础上,以电机等效电路为基础,研究电机最小损耗控制策略,给出异步电机驱动电压幅值与频率的控制方法,仿真结果表明此方法在具有较好的动态特性的同时,能显著提高电机的运行效率。
1 水泵的负载特性分析
在供水系统设计时,通常认为水泵是二次方转矩负载,即满足
但这是有条件的。根据水泵的数学模型[8]
式中:H,N,Q分别为水泵的扬程、轴功率和流量;TL,n分别为水泵所需的转矩和转速;K为水泵的调速比,K=n1/n0;a0,a1,a2,b0,b1为系数。
若TL1/TL2=(n1/n2)2,则N1/N2=(n1/n2)3,根据式(3),必然存在Q1/Q2=n1/n2;反之,如果Q1/Q2≠n1/n2,则TL1/TL2≠(n1/n2)2。可见,只有当满足Q1/Q2=n1/n2,水泵的负载类型才是二次方型。
恒压供水系统中,扬程H保持不变。当n1变为n2(n1>n2)时,根据式(2)可知,Q1/Q2>n1/n2,即Q2变得更小,所以N2更小,即N1/N2>(n1/n2)3,因此TL1/TL2>(n1/n2)2。由此可知,恒压供水系统中,转速降低时,水泵的转矩TL相对二次方下降的更多。联立式(2)～式(4),某恒压供水系统中水泵的负载特性如图1所示。
从图1中可以看出,随着转速的降低,供水系统中水泵的负载特性显著低于二次方负载特性。此时异步电机运行于更轻的负载下,若采用工频或恒压频比变频控制,电机将更多地偏离额定工作点,运行效率将进一步下降。
2 异步电机效率优化的供水系统
2.1 异步电机的损耗
异步电机的损耗主要包括:定子铜耗、转子铜耗、定子铁耗、转子铁耗和杂散损耗。其中,由于电机运行时转子电流频率较低,所以转子铁耗较小,而杂散损耗与谐波、摩擦等工作状态有关,属于不可控部分,占输入功率的比例一般为恒值,因此异步电机的等效电路可简化为图2所示。
图2中,R1是定子电阻,X1是定子漏抗,R′2是转子电阻,X′2是转子漏抗,Rm是定子铁耗等效电阻,Xm是激磁感抗。根据图2,可得
铜耗
铁耗
输出功率
效率
机械特性
由上式可以得出不同驱动电压和频率下异步电机的转矩特性和效率曲线,如图3和图4所示。图3中,TE0为额定频率、额定电压时的转矩特性、TE1和TE2分别为采用恒压频比、变压频比控制方式下的转矩特性,TL为水泵的负载(简化为二次方型负载特性曲线)。
图3中,电机转矩特性与水泵负载特性的交点,即为供水系统的工作点。当水泵转速高时,其转矩大,电机工作于A点;当转速下降时,转矩显著减小,此时可使机械特性TE1和TE2与TL均交于B点,即恒压频比、变压频比两种控制方式均可保持水泵在低速时的正常运行。然而,两种方式下电机的运行效率存在较大的差异,见图4。
图4中,η0,η1和η2分别是TE0,TE1和TE2对应的效率曲线。在A点,电机接近于额定运行状态,效率较高。当转速下降到B点时,负载转矩较小,电机的输出功率减小,若采用恒压频比控制方式,即保持主磁通恒定,则电机的铁耗保持在较高的水平,电机运行效率减小。若采用变压频比控制方式,适当降低驱动电压幅值,降低电机主磁通,则可减小电机的铁耗(铁耗近似与主磁通的平方成正比),此时为了保证电机运行于B点,需要提高电压频率,这将增大转差率从而增加了铜耗,当铁耗的减小和铜耗的增加平衡时,电机保持最大效率运行。一般的,若已知工况点(n,TL),则通过调节电源电压和频率,可使电机的运行效率最优。
从图4中还可看出,与恒压频比控制相比,在变压频比控制下电机的电磁转矩较小,这将使电机的动态响应性能有所下降,但由于供水系统对动态响应要求不高,因此不会对系统性能产生影响。
2.2 最小损耗控制算法
最小损耗控制算法以电机的运行效率为优化目标,根据负载的转矩和转速要求,调节电机电源电压和频率,在满足负载要求的同时,使电机的运行效率最大。
由式(5)～式(8),电机的运行效率可表示为
其中
电机转差率和电源频率、电机转速的关系为
式中:s,p分别为电机的转差率和极对数;f,n分别为电机的电源频率和转速。
由式(10)、式(11)可得
其中
对式(12)求偏导数,令∂η/∂f=0,可求出在不同转速n时,对应于电机最大运行效率的电压频率f。由式(12)可知,频率f只取决于电机参数和转速n,可通过离线计算并制成查询表。
稳定运行时,电机的电磁转矩近似等于负载转矩,即
式中:Tem,TL分别为电机的电磁转矩和负载转矩;m为电机相数。
当负载转矩TL和电压频率f已知时,根据式(13),可确定驱动电压幅值U1。
由以上分析可知,最小损耗控制算法下,电源频率由转速决定,而电压受转速和转矩共同影响。电源频率的调节保证了电机运行效率的最优,电压的调节使电机满足负载要求。
2.3 转速辨识
在供水系统中,需要在水泵的出口处安装压力传感器和流量传感器,以检测和控制水压和流量。在水泵流量范围内,由式(2)可得
式(15)描述了水泵水压、流量和水泵转速的对应关系,可作为异步电机最小损耗控制中转速反馈信号。在以后的研究中,可以采用修正表、神经网络等方法进一步提高辨识精度。
3 仿真研究
异步电机效率优化的供水系统控制框图如图5所示。其中,效率优化调节模块根据转速和水泵扬程偏差ΔH的比例项,确定电机最优运行的电源频率。通过对ΔH的PI控制,调节电源电压,使水泵扬程保持恒定。
某恒压供水系统中水泵的型号为IS100-65-315,水泵的参数为:额定转速n=1 450 r/min,轴功率PN=8.4 kW,流量Qn=70 m3/h。电机的额定参数为:Un=380 V,fn=50 Hz,Pn=10 kW,nn=1 450 r/min,R1=1.375 Ω,X1=2.43 Ω,R′2=1.047 Ω,X′2=4.4 Ω,Rm=8.34 Ω,Xm=82.4 Ω。
在Matlab中搭建系统仿真模型,设供水系统的水泵扬程要求为250 kPa。t=2 s时,水泵流量从20 m3/h突变到40 m3/h,系统的动态响应过程如图6所示。
从图6中可看出,水泵流量扰动下,电源电压和频率均能较快调整,水泵的扬程能够维持给定值,满足恒压供水要求。
为了研究最小损耗控制的节能情况,将其与恒压频比控制进行对比研究。图7和图8分别为稳态运行时,两种控制方式下电机的驱动电压幅值和频率与水泵流量的关系。
从图7和图8中可以看出,当用水流量较大时,电机的负载转矩较大,两种控制方式输出的电机驱动电压的幅值和频率差异较小。而随着流量的减小,水泵所需的转矩和转速显著降低,相对于恒压频比控制,最小损耗控制的电压幅值降低较多,而频率逐渐增加。此时,电压幅值降低使得电机主磁通下降,由此减小了电机的损耗。电压下降的同时,必须相应提高频率,才能使电机运行于要求的负荷点。
两种方式下电机的运行效率图如图9所示。
可以看出,在额定流量处,电机满载,两种控制方式下电机均能运行于较高效率。随着流量降低,恒压频比控制方式下电机的运行效率逐渐下降,而最小损耗控制方式下电机的运行效率下降很小。在水泵小流量范围内,即Q<30 m3/h时,最小损耗控制算法下电机的运行效率可提高10%左右。
4 结论
在城市恒压供水系统中,水泵是一类相对二次方转矩负载变化范围更大的负载,由于供水系统特点,系统中电机可能长时间轻载运行。传统的恒压频比控制下电机适合带载负载特性平缓且接近于额定工作点的负载,此时电机能够高效运行;若电机轻载运行,运行效率将明显降低。最小损耗控制以电机运行效率为目标函数,根据负载大小,调整电机驱动电压和频率,使电机运行于最大效率点,电机轻载运行时,能够明显改善运行效率。供水系统中采用最小损耗控制,将有利于提高系统的节能水平。
参考文献
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变频供水 篇11
【关键词】锅炉自动供水；变频调节；PLC；应用
1、前言
在我国北方等地，锅炉作为一种重要的取暖设备而被广泛使用。锅炉是一种主要通过水流实现热能传递的设备，是否能够及时的向锅炉中加水是影响锅炉安全的关键。一般情况下，锅炉员工主要通过观测锅炉内水位计的变化来决定是否需要加水。这种方法是比较粗糙而且低效的，如果员工疏忽或者水危机指示错误，就可能引起锅炉安全事故的发生。因此，为了避免事故的发生，需要研究设计一种进行自动观测并自动进行供水的调节系统。
PLC控制器可变频器控制器调节系统在国内外得到了广泛的应用，它操作简便、节能环保且运行稳定，是目前为止一项比较成熟的高科技技术。如果在锅炉控制系统中加入上述控制调节技术，就可以实现对系统持续稳定的供水稳定性。本文利用可编程序控制器(Program-able Logic Controller，缩写PLC)和变频器控制器组成一个闭环控制系统，从而有效维持管网压力的恒定，自动化高并且高效节能，在实际中得到了广泛的应用。
2、调节控制系统的基本原理
该调节控制以PLC控制器作为系统的核心控制部件，并使用PID控制算法，将变频器作为主要的调节设备，从而组成一个恒压的闭环控制系统。为了控制管网的设定压力，调节系统可以随时监测管网的压力与压力设定值之间的偏差情况，并通过PLC中的PID算法计算，对水泵的投入台数以及电机的转速进行自动的控制，从而实现闭环控制内的恒压供水。
目前对于供水泵的控制主要分为手动控制和自动控制两种方式。手动方式控制过程中，工作人员首先要设定泵的频率，然后才能启动，启动后频率就无法改变。而对于自动控制方式，PLC控制器可以根据压力设定值和压力实际的值之间的偏差进行PID计算，并根据计算结果对水泵的开关进行相应的操作，并将输出频率输送给变频器。变频器就可以根据频率给定信号的数值和预先设定好的相应参数来控制水泵的转速，从而保证水压的稳定。
3、锅炉供水系统的全自动控制
本文介绍的调控技术主要采用以PLC控制器和变频器控制器为主的控制方式来进行实现。变频器的选择要求配合供水泵的相应型号，一般需要选取相同或者大于供水泵功率一档的变频器。安装完成后还需要对变频器进行必要的设置。
首先需要做的是对变频器进行快速调试，快速调试的主要目的就是完成变频器的基本设置，并选择变频器的主要工作方式，同时还需要对水泵的一些重要参数进行一定程度下的自适应调整，从而使变频器和水泵能够相互匹配，进而可以比较准确和高效的地完成相应的控制任务。在快速调试过程中，需要输入的基本参数包括额定电流、额定电压、功率因数、额定功率和额定频率等。根据相关数据手册的要求，最主要的是按照水泵铭牌上的相关数据进行输入。快速调试过程结束后，变频器能够自动计算电动机的相关参数，并且能够将变频器的其它参数都恢复到出厂前的设置缺省值。所有的工作完成之后，变频器就完成了运行前的准备工作。
需要注意的一些情況是，在实际调试过程当中，要时刻注意比例项和积分项等参数的调整变化，这些参数是非常重要的，能够对整个系统很多重要部分，包括动态反应速度和静态稳定性等起到至关重要的作用。
在调节控制系统的正式运行过程当中，首先需要把软化器的入口压力值、软水箱的液位值、除氧器的液位值、除氧器的温度值以及上锅筒液位的变量都通过相应设备进行实时的采集，然后将采集得到的数据通过PLC的模拟量输入接口传送到PLC控制器中，通过PLC控制器的运算结果，控制变频器的相关操作，进而拖动增压泵、软水泵以及给水泵等的相关操作。
具体的实施过程要采用以下几种控制策略：
3.1PLC以及变频器控制系统首先探测软化器入口的压力值高低，并通过上述值对增压泵变频器给定频率信号的大小进行计算和确定，这样就可以实现对软化器提供恒压稳定供水，而切，采用这种方式还可以避免增压泵产生憋泵现象，能够有效节约部分电能。
3.2PLC以及变频器控制系统通过探测到的软水箱中液位的高低数值，进而决定盐液泵、增压泵和软化器的启/停操作控制。一旦软水箱的液位达到事先设定的高液位点时，PLC控制系统就会马上对增压泵、盐液泵和软化器进行停止操作，而当软水箱的液位达到事先设定好的低液位点后，就需要将这些设备启动。这样才能保证软水箱水位保持在安全状态下，同时还可以避免因为产水过量而造成对工业用盐和生产用水的浪费。
3.3PLC以及变频器控制系统可以根据除氧器中液位的高低决定软水泵变频器给定频率信号的大小。这样做的好处是一方面可以保证除氧器运行在安全水位状态下，还可以有效避免软水泵的憋压运行，能够有效的节约电能。
3.4PLC以及变频器控制系统为了对除氧器的使用效果实现良好的控制，可以依据除氧器中水温的高低变化，通过分析处理后决定除氧器中蒸汽调节阀开关的开度大小，这种方法实现方便简单，而且稳定快捷。
3.5PLC以及变频器控制系统还可以根据上锅筒中液位的高低数值变化，通过自带算法系统的分析计算，决定给水泵变频器给定频率信号的大小。采用这种方式，就可以保证上锅筒中的水位处于安全状态上，同时还可以有效避免给水泵发生憋压现象，这也是一项有效节约电能的方法。
4、结论
锅炉作为一种主要的热能传递设备，是否能够及时向锅炉中加水是一项影响其工作安全的重要因素。本文主要介绍了PLC控制器可变频器控制器调节系统，它操作简便、节能环保且运行稳定，是目前为止一项比较成熟的高科技技术。该系统的有效推广能够使锅炉工作过程中自动维持管网压力的恒定，并且高效节能，对我国社会的发展和建设具有重要的意义。
参考文献
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变频供水 篇12
在自来水行业,随着技术的革新和进步,传统上利用大小泵切换来适应管网供水压力的泵群控制方式已不能满足社会的需求。利用变频调速技术实现恒压供水,既保证管网压力的稳定,又能减少电耗,降低操作人员的劳动强度,延长电机水泵的使用寿命。该技术已广泛地应用于工业生产及城镇供水。
广西南宁自来水公司虎丘加压站是陈村水厂一期配套工程,总设计规模8万m3/d,加压泵站共有3台220 kW水泵及1 台90 kW水泵,其中一台220 kW的3#水泵采用了变频恒压控制系统。
2 系统介绍
2.1 直接转矩控制技术
ACS600的核心技术是直接转矩控制(DTC)技术,是交流传动领域电机控制方式的一次革命。它从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制,开环动态速度控制精度可以达到闭环磁通量控制精度。ACS600静态速度控制精度为标称速度的0.1%～0.5%,满足了绝大多数的工业应用。在DTC中,定子磁通和转矩被作为主要的控制变量,高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40 000次。由于电机状态实际值和给定值的比较值被不断更新,逆变器的每一次开关状态都是独立确定的,这意味着传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化作出快速反应。
2.2 系统构成
2.2.1 控制原理
控制原理如图1所示,变频器、压力变送器及给定构成了一个稳定的闭环系统。通过给定电位器由用户确定供水管压力,系统根据给定压力与反馈压力的偏差进行PID运算和DTC控制运算,变频器输出不同电压及频率的电源驱动水泵电机,通过改变水泵的流量来达到保证供水管压力恒定的目的。
2.2.2 系统接线原理
图2为整个变频控制柜接线原理图。控制柜安装在加压泵房的电气室内,压力变选器安装在出口管的盲板侧。
3 变频供水系统运行状态
整个系统投入运行以后,达到了系统自动控制、节能运行的目的,但也出现了几个方面的问题。
3.1 安全生产
系统能稳定地控制供水总管的压力。虎丘加压站的现供水能力满足当前实际用水量要求,变频器通过调节水泵电机转速,实现用户侧需要多少水,水泵就提供多少水,达到供给的动态平衡,既保证了管网的安全,又减少了操作人员的劳动强度和换泵的繁琐程序。
系统具有完善的保护功能,如接地、过载、过压、缺相等保护功能,能保证系统安全可靠运行。
3.2 节能运行
根据水泵的流量特性,水泵电机的转速(N)、水泵电机功率(P),水泵的流量(Q)、水泵的扬程(H)有如下关系:Q1/Q2=N1/N2,h1/H2=(N1/N2)2,P1/P2=(N1/N2)3,由此可知:电机功率与水泵转速成正比,如水泵转速下降10%,则电机的功率可下降27%。
由于虎丘加压站用户侧的水量是不断变化的,当需水量处于波谷期时,变频器通过降低水泵电机转速带来的节能效益是很可观的。
ABB变频器具有的软启动及平滑停车功能,限制并降低了电机的启动和停车电流,使电机平滑启动和停车,减少了大电流对电机绕组的冲击,减少了电机突然启动和停止对水泵的冲击,对电机和水泵起了保护作用,延长了电机和水泵的使用寿命,同时减少对管道、阀门的冲击和磨损,延长了管道和阀门的使用寿命,减少了设备的维护量。
4 系统出现的问题及解决方案
变频供水系统经过几个月的运行,出现了电机电流相间不平衡及直流母线电压脉动(SUPPL’PHASE)现象。特别是后者,曾多次造成保护性停车。这对于最注重社会效益的自来水厂行业来说,是不允许出现的。现予以分析并提出解决的办法。
4.1 电流相间不平衡分析
电机电流相间不平衡主要出现在系统启动的过程中,经观察,相间电流相差在几十到一百安培之间,而这时的变频器工作正常。后检查变频器的温度达到96℃,接近其报警温度。如果变频器长期在这样的高温环境下工作,将严重影响逆变器的工作性能而产生电压波形的畸变,最终使电机相间电流出现不平衡现象。而变频器温升的主要原因是冷却通风效果不好:一是环境温度过高;二是电气柜的设计不合理,使冷却出风口的热风又返回冷却进风口,造成冷却风道的温度越来越高。
解决的办法:提供空调环境,对电气柜的布局进行改造,使变频器冷却进风口和冷风出风口隔离,加强其冷却效果,只要变频器的温度降下来,电机电流相间不平衡的现象就会消除。
4.2 直流母线电压脉动分析
通常,中间电路直流母线电压脉动的出现原因可能是主电源缺相,一个熔断器烧断或是整流桥内部发生故障。当直流电压脉动为直流电13%时,变频器自动保护性停车。经多次检查,虎丘加压站的变频器没有上述的故障现象,由于变压器高压侧因高次谐波的干扰而多次发生烧保险现象,我们使用示波器对变频器的进线电源进行长时间的检测,发现三相电源进线的高次谐波严重,电压波形有畸变现象。这就是产生直流母线电压波动的原因。由于直流母线上并联有一个大电容,当电源有高次谐波存在,整流块的输出侧(直流母线)电压必然会产生波动,一旦高次谐波严重,电压波动为直流电压的13%时,变频器自动保护性停车,而这完全是外部原因引起的故障。
解决办法:在变频器的电源进线侧加装一台进线电抗器来净化变频器的进线电源。另外,由于欧洲的供电质量较高,在ABB变频器直流母线电压脉动的保护值的设计较保守。实际上可以将13%的电压脉冲值调整到20%,放宽直流电压脉动的保护范围,因为此时变频器的工作仍然是很完全可靠的。这是一种简单经济的解决办法,但不能彻底解决问题,一旦高次谐波严重,进线电源波形失真,将使直流母线电压脉动达到直流电压的20%,变频器仍会保护性停机。
4.3 设计上的不合理分析
在设计上,变频系统只是单独给3#水泵供电,对1#、2#、4#水泵的控制是完全独立的,没有工艺上的连锁控制实现互为备用。这样,整个加压站水泵房的设备没有有机地结合在一起发挥最大的功效。
由于自来水行业生产的特殊性,社会效益是时刻摆在第一位的,也就是说无论发生什么情况,都应该保证供水管网的压力稳定。要做到这点,加压站的4组水泵的自动连锁启动功能是必需的,如果其中一组水泵发生故障,备用水泵可以自动投入运行,以维持供水总管压力的稳定。
解决方案:利用ABB变频器强大的I/O功能和一台小型的可编程序控制器(PLC)的控制,整个加压站设备就可自动实现以下功能。
4.3.1 4个泵组自动连锁启动,互为备用功能
当变频器发生故障时,可以将变频电源切断,工频运行4#水泵(小泵)维持水压,而如果水压达不到要求,关闭小泵,工频投入大泵运行,相应阀门的开启和关断也自动实现。保证供水压力稳定,实现安全生产。
4.3.2 变频器的辅机控制功能
可以利用一台变频器控制加压站的3台220 kW的水泵。例如:3#水泵的供水能力达不到需求时,3#水泵投入工频运行,变频器控制1#水泵的转速并提供3#水泵不足的水量;1#、3#水泵的供水能力达不到要求时,1#、3#水泵投入工频运行,变频器控制2#水泵的转速并提供1#、3#水泵不足的水量。这样,既保证了管网的压力稳定,实现安全生产,又能最大限度地节能降耗。
4.3.3 水泵轮换工作控制功能
当一台水泵长期工作,必然会引起过度磨损和发热而造成损坏。对此,应利用变频器和PLC的功能实现水泵轮换工作,使水泵的工作时间合理安排,充分利用所投入的资源,力争创造最大的效益。
5 结论
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