變頻器在工廠(chǎng)高樓供水系統中的典型應用

1 引言

      工廠(chǎng)高樓供水系統的基本控制策略是：采用電動(dòng)機調速裝置與可編程控制器（plc）構成控制系統，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動(dòng)調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達到穩定供水壓力和節約電能的目的。工廠(chǎng)高樓供水系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入cpu運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機的投運臺數和運行變量泵電動(dòng)機的轉速，從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值上。

      隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類(lèi)型等方面得到了很大的發(fā)展。進(jìn)入90年代電力電子器件向著(zhù)大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發(fā)展。作為應用現代電力電子器件與微計算機技術(shù)有機結合的交流變頻調速裝置，隨著(zhù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng )新和推廣應用，使得交流異步電動(dòng)機調速領(lǐng)域發(fā)生一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。目前自動(dòng)恒壓工廠(chǎng)高樓供水系統應用的電動(dòng)機調速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統的控制裝置采用plc控制器，因plc不僅可實(shí)現泵組、閥門(mén)的邏輯控制，并可完成系統的數字pid調節功能，可對系統中的各種運行參數、控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)監控，并完成系統運行工況的crt畫(huà)面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動(dòng)恒壓工廠(chǎng)高樓供水系統具有標準的通訊接口，可與城市供水系統的上位機聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現城區供水系統的優(yōu)化控制，為城市供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經(jīng)濟運行的手段。

2 工廠(chǎng)高樓供水系統組成及工作原理

      一般供水系統三臺泵組成，每臺泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調節水量之用，三臺泵為一臺小泵兩臺大泵組成，小泵為15kw大泵為30kw，三臺泵的協(xié)調工作以滿(mǎn)足供水需要。

      該工廠(chǎng)高樓供水系統由一臺plc和兩臺變頻器、兩個(gè)壓力傳感器、控制柜及相關(guān)設備組成。利用一臺變頻器可以控制兩臺30kw水泵的運轉，改造后，1#泵15kw始終處于工頻運轉，兩臺30kw水泵由變頻器的控制實(shí)現變工況運轉。

      1#泵工頻運轉一般不能滿(mǎn)足最小用水量，因此供水時(shí)首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在變頻啟動(dòng)狀態(tài)，隨著(zhù)壓力會(huì )自動(dòng)調節頻率的高低以保持壓力的恒定，在用水量不大時(shí)，2#泵和1號泵同時(shí)工作可以滿(mǎn)足要求，如果用水量增大，2#泵會(huì )自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)，并給plc發(fā)出信號，繼而變頻啟動(dòng)3#泵30kw，此時(shí)1#，2#泵工作在工頻狀態(tài)，3#泵工作在變頻狀態(tài)。由于3#泵的自動(dòng)調節功能，從而保證系統的恒壓。一般而言，三臺泵同時(shí)投入是絕對能滿(mǎn)足要求的。

如果3#泵工頻運轉壓力不能滿(mǎn)足要求的話(huà)，則該變頻器會(huì )自動(dòng)切除，退出工作，使3#泵處于工頻。該系統組成簡(jiǎn)單，系統成本低，可靠性高。

3 工廠(chǎng)高樓供水系統功能

      該工廠(chǎng)高樓供水系統選用ABB變頻器。該系統中具有以下功能。

3.1 自動(dòng)切換變頻/工頻運行功能

變頻器提供三種不同的工作方式供用戶(hù)選擇：

（1）方式0：基本工作方式。變頻器始終固定驅動(dòng)一臺泵并實(shí)時(shí)根據其輸出頻率，控制其他輔助泵啟停。即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時(shí)啟動(dòng)一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時(shí)則停止最后啟動(dòng)的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數。

（2）方式1：交替方式。變頻器通常固定驅動(dòng)某臺泵，并實(shí)時(shí)根據其輸出頻率，使輔助泵工頻運行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動(dòng)的順序是泵1→泵2，當變頻器輸出停止時(shí)，下一次啟動(dòng)順序變?yōu)楸?→泵1。

（3）方式2：直接方式。當啟信號輸入時(shí)變頻器啟動(dòng)第一臺泵當該泵達到最高頻率時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動(dòng)下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時(shí)，先停止最先啟動(dòng)的泵。

3.2 pid的調節功能

      由壓力傳感器反饋的水壓信號(4-20ma或-5v)直接送入plc的a/d口(可以通過(guò)手持編程器)，設定給定壓力值，pid參數值，并通過(guò)plc計算何以需切換泵的操作完成系統控制，系統參數在實(shí)際運行中調整，使系統控制響應趨于完整。

3.3“休眠”功能

      系統運行時(shí)經(jīng)常會(huì )遇到用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節能，該系統專(zhuān)用設置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下限時(shí)，變頻器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止(處于休眠狀態(tài))。當水壓繼續升高時(shí)將停止1泵，當水壓下降到一定值時(shí)將先啟動(dòng)變頻器運轉2#泵或3#泵，當頻率到達一定值后將啟動(dòng)1#泵調節2#或3#泵的轉速?！靶菝咧怠弊冾l器輸出的下限頻率pr507設置?！靶菝叽_認時(shí)間”用參數pr506設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時(shí)間如小于休眠時(shí)間td時(shí)，即td＜tn時(shí)變頻器繼續工作，當td＞tn時(shí)變頻器將進(jìn)入休眠狀態(tài)?！皢拘阎怠庇晒┧畨毫ο孪迒?dòng)，當供水壓力低于下限值時(shí)由plc發(fā)出指令喚醒變頻器工作。經(jīng)測試“休眠值”為10hz；“休眠確認時(shí)間”td:20s；“喚醒值”70%。

3.4 通訊功能

      該工廠(chǎng)高樓供水系統具有計算機的通訊功能，plc變頻器均提供有rs232或485接口plc可選用西門(mén)子的s7-200計算機可以與一套或多套系統進(jìn)行通訊，利用計算機同時(shí)可以監測：電流、電壓、頻率、轉速、壓力等也可以控制變頻器的各類(lèi)參數。

此外該系統還具有手動(dòng)/自動(dòng)操作，故障報警，運行狀態(tài)，電流，電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護等功能。

4 工廠(chǎng)高樓供水系統的節能分析

      節能的功率可用下式表示：δp=p(0.4+0.6x-x3) 其中x=q/q0＝n/n0；q為實(shí)時(shí)水量；q0為滿(mǎn)負荷的水量；p為滿(mǎn)負荷的功率；n0為額定功率；n為實(shí)時(shí)功率。這里通過(guò)運行觀(guān)察，統計出三臺泵一天之內的運行時(shí)間為：1#泵24小時(shí)；2#泵大致運行19小時(shí)；3#泵僅運行13小時(shí)。如果按360天計算利用閥門(mén)來(lái)調節功率為：(30×2＋15）×24×360＝648000kwh；利用停止泵運轉方式為：［（15×24）＋（30×10）＋（30×13）］×360＝378000kw；利用變頻工作時(shí)：3#泵始終處在狀態(tài)為13小時(shí)；2#泵變頻工作為7小時(shí)(3#泵不工作，2#泵工作時(shí)間)；如果水量調到80%時(shí)計算兩個(gè)泵節電量為：p×h＝30×(0.4+0.6×0.8-0.83)×(13＋7)×360＝10800kwh；這樣與第二項計算與變頻節能計算時(shí)比用閥的調節節能為：648000-475200 +79488＝280800kwh；按每度電0.4元計算，每年可節省電費：280800×0.4＝112320元?？梢?jiàn)每年可節省電費約10萬(wàn)元左右。

5 結束語(yǔ)

（1）工廠(chǎng)高樓供水系統恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節閥門(mén)的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。

（2）由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(cháng)泵和電動(dòng)機的機械使用壽命。

(3)因實(shí)現恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強度，節省了人力。

(4)水泵電動(dòng)機采用軟啟動(dòng)方式，按設定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機突然加速造成泵系統的喘振。

(5)由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過(guò)程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過(guò)程中可節約可觀(guān)的電能，其經(jīng)濟效益是十分明顯的。由于其節電效果明顯，所以系統具有收回投資快，而長(cháng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì )效益也是非常巨大。