變頻調速在自來(lái)水加壓泵站控制系統中的應用技術(shù)研究

　　變頻調速控制作為自來(lái)水加壓泵站運行控制系統發(fā)展的主流趨勢，不僅可以確保用戶(hù)用水的正常，同時(shí)也可以大幅降低自來(lái)水加壓泵站運轉階段的能耗，實(shí)現自來(lái)水加壓泵站運轉控制的自動(dòng)化與智能化。針對變頻調速在自來(lái)水加壓泵站控制系統中的應用，首先概述了變頻恒壓供水系統技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)勢，進(jìn)而分析了變頻調速控制系統的結構、控制原理以及基本組成，并結合工程應用實(shí)例，詳細分析了變頻調速在自來(lái)水加壓泵站控制系統中應用的實(shí)際效果。

　　自來(lái)水加壓泵站作為工農業(yè)以及居民生活用水的重要基礎設施，也是確保工農業(yè)生活生產(chǎn)用水正常的基礎條件。由于我國生產(chǎn)生活用水量巨大以及部分自來(lái)水加壓泵站設備的工作效率較低，因此導致自來(lái)水加壓泵站在運轉過(guò)程中會(huì )消耗大量的電能。對自來(lái)水加壓泵站水泵機組進(jìn)行調速運轉控制，已經(jīng)成為提高自來(lái)水加壓泵站設備工作效率，降低自來(lái)水加壓泵站供水能耗的關(guān)鍵措施。當前，對于自來(lái)水加壓泵站機組調速運行最為先進(jìn)、最為有效的技術(shù)就是變頻調速技術(shù)，變頻調速技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)將變頻調速器、壓力流量傳感器、控制器、水泵機組以及自來(lái)水加壓泵站管網(wǎng)組成聯(lián)動(dòng)的供水系統，按照用水量、壓力值傳感器的反饋信號，通過(guò)對變頻器頻率的控制，改變自來(lái)水加壓泵站水泵機組的轉速，進(jìn)而實(shí)現自來(lái)水加壓泵站機組的經(jīng)濟運行。因此，變頻調速技術(shù)不僅可以降低自來(lái)水加壓泵站機組設備運行的能耗，同時(shí)對于提高自來(lái)水加壓泵站管網(wǎng)設備的使用壽命，確保自來(lái)水加壓泵站管網(wǎng)供水系統的正常運轉也具有重要的作用。

1、自來(lái)水加壓泵站變頻調速控制技術(shù)概述

　　當前在自來(lái)水加壓泵站變頻調速控制技術(shù)中，主要采取變頻調速恒壓供水技術(shù)，其技術(shù)原理為自來(lái)水加壓泵站變頻調速供水系統結合自來(lái)水加壓泵站用水量的變化情況，通過(guò)智能化、自動(dòng)化的控制系統對變頻器的輸出頻率進(jìn)行改變，實(shí)現對自來(lái)水加壓泵站機組水泵轉速的調節，進(jìn)而確保自來(lái)水加壓泵站的供水水壓與用戶(hù)水壓的平衡，最終實(shí)現自來(lái)水加壓泵站供水管網(wǎng)整體水壓的閉環(huán)調節。變頻調速技術(shù)其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)在相應的管網(wǎng)壓力傳感信號輸入的狀態(tài)下，通過(guò)自動(dòng)調節變頻器的輸出頻率，達到改變自來(lái)水加壓泵站水泵電機轉速以及供水量的目的，進(jìn)而在滿(mǎn)足對于水壓以及用水量要求的前提下，降低單位供水量的能耗。自來(lái)水加壓泵站變頻恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢主要表現在以下幾方面。

　　1）自來(lái)水加壓泵站采取變頻調速控制可以提高對于自來(lái)水加壓泵站系統運轉的精準控制。通過(guò)變頻調速系統，在用水量或者是水壓發(fā)生變化的情況下，通過(guò)計算機對這些變化進(jìn)行自動(dòng)的檢測，并按照檢測信息調整自來(lái)水加壓泵站水泵機組的工作狀況，進(jìn)而確保自來(lái)水加壓泵站水泵處于高效的運行狀態(tài)。根據相關(guān)研究資料表明，變頻恒壓供水可以將供水壓力控制在20 kPa以?xún)?，變頻調速的控制精準度非常高。

　　2）變頻調速控制系統有助于保護自來(lái)水加壓泵站的供水設備。由于利用變頻調速控制能夠實(shí)現水泵的軟啟動(dòng)，自來(lái)水加壓泵站水泵的啟動(dòng)電流以及啟動(dòng)能耗大幅降低，同時(shí)水泵電機的供電容量也得以降低。因此，這就可以有效的避免水泵機組啟動(dòng)以及運轉過(guò)程中的機械沖擊以及運行磨損，此外由于采取變頻調速控制管理，因此能夠避免水泵在切換時(shí)出現的震蕩現象，對于延長(cháng)自來(lái)水加壓泵站機組設備使用壽命具有重要作用。

　　3）可以有效的節約自來(lái)水加壓泵站機組設備運行的能耗。通過(guò)變頻調速控制，水泵的工作狀態(tài)是隨著(zhù)用戶(hù)用水量以及用水壓力的變化自動(dòng)的調節轉速，水泵也是一直處于變頻的工作狀態(tài)。因而相比傳統的恒速水泵而言，設備運轉期間的電能消耗也隨之降低，因而可以提高自來(lái)水加壓泵站水泵運行的經(jīng)濟效益。

　　4）變頻調速控制系統的適用性較強。針對當前自來(lái)水加壓泵站供水單位中高層建筑用戶(hù)不斷增多的問(wèn)題，變頻調速控制系統可以在不改變供水需求的前提下，通過(guò)改變變頻調速供水系統壓力值以及流量參數，既可以完成對供水壓力以及流量的調整。由于對于用戶(hù)用水量的變化具有非常強的適應性，因此變頻調速控制系統的適用性也相對較強。

2、自來(lái)水加壓泵站變頻調速控制系統技術(shù)分析

2.1 變頻調速控制系統的結構

　　變頻調速控制系統主要是由控制系統、自來(lái)水加壓泵站水泵機組、變頻控制器、壓力傳感器以及邏輯控制電路等幾部分組成。其中控制器是整個(gè)變頻調速控制系統的核心部件，主要負責將壓力傳感器輸送的信號按照一定的算法得出最優(yōu)化的系統運行控制參數，并將控制參數轉變?yōu)樽冾l器的頻率信號。電機水泵機組則是自來(lái)水加壓泵站傳送水的機電裝置，通過(guò)電機按照一定的壓力以及流量將水沿供水管道輸送到用戶(hù)處，同時(shí)根據用戶(hù)用水情況調整工頻運行或者是變頻狀態(tài)運行。變頻器則主要是由電力電子器件以及微處理器組成，通過(guò)在控制器控制頻率設定的輸入信號下，輸出與之對應頻率的交流電，進(jìn)而起到控制自來(lái)水加壓泵站電機水泵機組轉速的目的。壓力傳感器則主要是作為供水系統中的測量元件，將供水管道內的水壓轉換為模擬信號輸入控制系統之中。繼電器則是對自來(lái)水加壓泵站水泵機組的工作狀態(tài)進(jìn)行調整，對自來(lái)水加壓泵站水泵機組的工作的工頻或者是變頻狀態(tài)進(jìn)行切換。

2.2 變頻調速控制系統控制原理

　　現階段對于變頻調速控制系統的控制一般是根據用戶(hù)用水量的大小對水泵的運行方式進(jìn)行變頻調速控制。其具體控制原理如下所示：如果用戶(hù)的用水量L小于額定供水量Le，則自來(lái)水加壓泵站水泵機組中的部分水泵一直處于變頻運轉方式，另外一部分水泵機組則處于停機狀態(tài)，此時(shí)供水量為L(cháng)f，是可以隨時(shí)根據用戶(hù)用水量的變化進(jìn)行調整從而確保供水壓力的穩定。如果自來(lái)水加壓泵站在運轉過(guò)程中用戶(hù)的用水量L超過(guò)額定供水量Le，則此時(shí)可以將自來(lái)水加壓泵站水泵電機由變頻運行方式切換為全部工頻運行方式，確保供水量的充足。系統控制的基本原理為：當L≤Le時(shí)，自來(lái)水加壓泵站多機組種部分機組停機，部分機組變頻運行；當L≥Le時(shí)，自來(lái)水加壓泵站多機組處于工頻運行與變頻運行兩種狀態(tài)。通過(guò)利用控制器按照這種計算方式對自來(lái)水加壓泵站供水方式進(jìn)行調整，確保實(shí)現恒壓變流量供水，既可以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求同時(shí)又可以有效的節約資源。2.3 變頻調速系統的組成

　　1）變頻調速控制系統控制器的選擇。對于變頻調速控制系統的控制器可以選擇使用PLC、PC或者是單片機。PLC控制器主要由CPU、信號模板、通訊處理模塊以及功能模塊組成，PLC控制優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)費用低，開(kāi)發(fā)周期短，在很短的時(shí)間內就能投入使用；缺點(diǎn)是控制功能簡(jiǎn)單，造價(jià)稍高。PC控制器的特點(diǎn)在于軟件資源豐富，系統的硬件配置水平較高，而且后期功能擴展也較為方便，但是工程造價(jià)高，而且占用空間也較大。單片機的特點(diǎn)是可靠性較好，控制功能豐富，邏輯功能以及運行速度較高，而且價(jià)格也相對較為便宜。因此，在變頻調速控制系統中大多采用單片機作為控制器。

　　2）數字信號輸入端。為了實(shí)現自來(lái)水加壓泵站供水系統變頻調速控制，在供水過(guò)程中應該將各種數據信號傳輸給控制器進(jìn)行計算處理，以便于輸出控制信號。對于變頻調速控制系統而言，輸入信號就是供水系統中不同位置的水壓情況。對于供水壓力信號的采集以及變送一般選擇使用差壓變速器完成，通過(guò)差壓變速器可以準確的測量壓力、流量、液位以及比重等物理量，并將這些物理量轉變?yōu)榭梢宰R別的數字信號輸出。

　　3）信號輸出通道。對于變頻調速控制系統而言，信號輸出通道主要輸出對自來(lái)水加壓泵站水泵電機起停以及電機轉速控制的信號。對于自來(lái)水加壓泵站水泵電機轉速的控制主要是將運算處理的數字信號通過(guò)轉換器轉換為變頻器的給定頻率進(jìn)行調節。對于自來(lái)水加壓泵站水泵電機的起停，則主要是通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制信號控制繼電器，通過(guò)繼電器放大后對接觸器開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

　　4）轉換器。轉換器分為A/D轉換器以及D/A轉換器兩種形式，使用轉換器的目的主要是對不同的信號模式進(jìn)行轉換。A/D轉換器主要是為了將自來(lái)水加壓泵站變頻調速控制系統中的壓力傳感器模擬信號轉換為控制器能夠識別的數字信號，D/A轉換器則是為了將控制器輸出的數字信號轉換為能夠控制變頻器輸出頻率的電壓信號。對于轉換器的選擇，重點(diǎn)要選擇精度高、分辨率好以及轉換特性較好的轉換器。

3、變頻調速控制系統應用實(shí)例

3.1 自來(lái)水加壓泵站基本情況及系統概述

　　耿井自來(lái)水加壓泵站承擔東營(yíng)市西部城區的主要供水任務(wù)，日設計供水量為20萬(wàn)噸，并于近期完成了泵房水泵機電設備的變頻改造，其中主泵房的水泵電機功率為560 kW，分別由兩臺6 kV/560 kW變頻器進(jìn)行控制。對水泵自來(lái)水加壓泵站進(jìn)行變頻技術(shù)改造的基本目的是在閥門(mén)完全開(kāi)放的前提下，通過(guò)變頻器的輸出頻率對自來(lái)水加壓泵站水泵電機轉速進(jìn)行調整以便于達到改變供水量的目的，改變了傳統的依靠閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節自來(lái)水加壓泵站供水量的方式。同時(shí)依靠變頻調解控制緩解自來(lái)水加壓泵站啟停對于供水管網(wǎng)的沖擊，確保自來(lái)水加壓泵站供水管網(wǎng)水壓以及供水量的恒定。

　　機組：

　　1）水泵：四臺，型號：24SH-13、額定流量：3168 m3/h、額定揚程：47.4 m、額定軸功率：550 kW、額定效率：88%、額定轉速：970 rpm。

　　2）電機：型號：Y4503-6、額定功率：560kW、額定電壓：6 kV、額定頻率：50 Hz、額定電流：63.17 A、額定功率因數：0.894、額定轉速：991 rpm。

　　3）變頻器：變頻器采用HARSVERT-A06/076變頻器，變頻器主要的技術(shù)性能指標如下所示：變頻器容量790 kVA、額定輸出電流76 A、輸入頻率45 Hz到55 Hz、額定輸入電壓6000 V、允許電壓波動(dòng)±10%、輸入功率因數≥0.96（大于20%負載時(shí)）、輸出頻率范圍0 Hz到50 Hz（即：調速范圍0～100%）、變頻器效率≥96%、輸出頻率分辨率0.01 Hz，無(wú)級調速、過(guò)載能力120%一分鐘，150%立即保護。

3.2 變頻調速控制的具體技術(shù)控制要求

　　1）變頻調速控制系統的基本控制。首先變頻調速控制系統需要配置工頻旁路，通過(guò)設置工頻旁路確保水泵機組既可變頻調速運行，也可以直接投入工頻運行。其次，另外設置系統運轉保護，當變頻調速控制系統局部單元故障時(shí)，不停機繼續運行，以保障供水的持續性。此外，系統還專(zhuān)門(mén)配置了閥門(mén)聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現開(kāi)停泵全過(guò)程的全部自動(dòng)化。

　　2）變頻調速控制系統閥門(mén)真空度的檢測。在自來(lái)水加壓泵站水泵啟動(dòng)之前，為了確保水泵機組的正常啟動(dòng)，必須保證水泵泵腔處于真空的狀態(tài)，因此，變頻調速控制系統在水泵啟動(dòng)之前會(huì )對泵腔的真空度值進(jìn)行確定。如果泵腔的真空度值不滿(mǎn)足要求，變頻器則會(huì )自動(dòng)報警并停止水泵的啟動(dòng)工作。

　　3）管網(wǎng)閥門(mén)過(guò)力矩報警。在自來(lái)水加壓泵站運轉過(guò)程中，由于操作的原因或者是機械電器的原因，會(huì )出現閥門(mén)打開(kāi)過(guò)度或關(guān)閉過(guò)度問(wèn)題，也就是閥門(mén)過(guò)力矩，對于變頻調速控制系統在運行過(guò)程中，一旦出現閥門(mén)過(guò)力矩的問(wèn)題，則會(huì )自動(dòng)向變頻器報警，進(jìn)而采取措施進(jìn)行處理。

　　4）水泵電機溫度的報警。通過(guò)在變頻器的模擬輸入通道參數設定中設置超溫報警、過(guò)熱跳閘保護、電機冷風(fēng)機啟動(dòng)以及電機冷風(fēng)機關(guān)閉的臨界溫度值，可以實(shí)現變頻調速控制對于電機的溫度監測和自動(dòng)保護功能。

3.3 變頻調速控制系統的實(shí)際運行效果分析

　　1）簡(jiǎn)化了操作與觀(guān)察。通過(guò)對自來(lái)水加壓泵站進(jìn)行變頻技術(shù)改造之后，對于自來(lái)水加壓泵站運行過(guò)程中的各種參數例如自來(lái)水加壓泵站電機的運行頻率、變頻器輸入以及輸出端的電壓電流、自來(lái)水加壓泵站開(kāi)環(huán)或者是閉環(huán)運行狀態(tài)以及自來(lái)水加壓泵站管網(wǎng)水壓等一系列的參數，都可以通過(guò)數字化的顯示屏直觀(guān)的了解，方便了對于自來(lái)水加壓泵站供水系統運行的觀(guān)察控制。

　　2）自來(lái)水加壓泵站水泵啟停的自動(dòng)化控制。在進(jìn)行變頻技術(shù)改造中將開(kāi)閥的最小水壓設定為0.48 MPa，這樣對于自來(lái)水加壓泵站水泵電機的開(kāi)泵以及停泵控制，無(wú)需值班人員進(jìn)行人工的操作，不僅可以避免操作失誤問(wèn)題的發(fā)生，同時(shí)由于變頻器的啟停較為平穩，避免對于管網(wǎng)造成沖擊。

　　3）自來(lái)水加壓泵站供水全過(guò)程的恒壓控制。對于自來(lái)水加壓泵站的兩臺機組，控制模式為一組機組處于開(kāi)環(huán)控制的模式，一組機組處于閉環(huán)控制的模式，因此即使用戶(hù)的用水量需求發(fā)生變化，只需要匹配機組變頻器的運行頻率，仍然能夠確保水壓的持續穩定。

　　4）明顯的節能效果，在通過(guò)對自來(lái)水加壓泵站水泵機組進(jìn)行變頻調速控制技術(shù)改造之后，用電量明顯下降，自來(lái)水加壓泵站工作成本顯著(zhù)降低，在節能方面具有非常顯著(zhù)的效果。

4、 結束語(yǔ)

　　變頻調速技術(shù)作為先進(jìn)的電子技術(shù)，不僅可以有效的降低自來(lái)水加壓泵站機組運行的能耗，同時(shí)可以有效地減輕機組運行中對于電機的機械沖擊，這對于延長(cháng)自來(lái)水加壓泵站機組設備的使用壽命，確保供水設施的正常非常有益。因此，自來(lái)水加壓泵站機組管理部門(mén)應該深入的了解變頻調速技術(shù)的工作原理以及變頻調速技術(shù)應用中需要注意的各項問(wèn)題，并積極通過(guò)技術(shù)升級改造，實(shí)現變頻調速技術(shù)對于自來(lái)水加壓泵站運行控制的最優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現自來(lái)水加壓泵站機組設備運行的低能耗、高效率與智能化。