王煜

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。變頻調(diào)速設(shè)備在供水系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛、節(jié)能、調(diào)速優(yōu)勢明顯。本文主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】供水系統(tǒng)；工作原理，變頻調(diào)速；應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；加之能源緊缺等因素，采用自動(dòng)控制及通訊技術(shù)、節(jié)能、適應(yīng)性強(qiáng)的恒壓供水系統(tǒng)發(fā)展迅速，在企業(yè)的供水系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

隨著工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)以及變頻恒壓供水系統(tǒng)都得到發(fā)展。變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度都得到很大程度的提高。國內(nèi)外都非常重視變頻器及其相關(guān)附屬產(chǎn)業(yè)的研究。現(xiàn)在變頻器大都實(shí)現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)器等硬件集成，功能模塊通過設(shè)置指令代碼，搭載相應(yīng)的恒壓供水單元，系統(tǒng)控制內(nèi)部接觸器實(shí)現(xiàn)控制功能。從現(xiàn)有資料來看，目前國內(nèi)外對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究中有關(guān)水壓的閉環(huán)控制研究不夠充分，有關(guān)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的抗干擾、穩(wěn)定性等方面還有待進(jìn)一步研究和探索。

2 系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)及主要功能

2.1 變頻調(diào)速設(shè)備的工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、水泵、輸水管路、閥門等部分組成。閥門開度不變是供水系統(tǒng)工作點(diǎn)揚(yáng)程特性H=f（Qn）前提。流量Q與揚(yáng)程H間為反比關(guān)系。管阻特性是指水泵轉(zhuǎn)速恒定為前提，在閥門開度一定情況下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f（QG）。揚(yáng)程曲線和管阻曲線交匯點(diǎn)為供水系統(tǒng)工作點(diǎn)，即圖中A點(diǎn)，該點(diǎn)用水流量Qu和系統(tǒng)供水流量QG相等，系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖1

供水系統(tǒng)變頻調(diào)速控制的實(shí)質(zhì)是交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變施加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電源頻率進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)整電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的目的。

交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為[1]：

s=

交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速定義為：

n =

交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

n= （1-s）

n1：交流異步電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速；n：交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f：交流異步電動(dòng)機(jī)電源頻率；p：交流異步電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)。

供水流量控制方法有出口閥門開度控制、原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制兩種。前者通過調(diào)節(jié)出口閥門的開度調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，其控制方式的實(shí)質(zhì)是調(diào)整供水管路的阻力進(jìn)而調(diào)整流量。原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制是改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的，系統(tǒng)管阻特性是固定的，而揚(yáng)程特性隨著水泵轉(zhuǎn)速的變化而變化。根據(jù)用水量的變化，改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得供水管網(wǎng)的壓力保持恒定，根據(jù)用戶需要調(diào)整水的動(dòng)能，而不用將大量的供水能量消耗在閥門及管網(wǎng)的損耗上面。

圖2

由圖2可知：當(dāng)采用出口閥門控制供水流量時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在圖上的X點(diǎn)，對應(yīng)流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時(shí)，關(guān)小出口閥門，則閥門的阻力變大，管阻曲線從β3上移到β1，而揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從H0上升到H1，機(jī)泵運(yùn)行點(diǎn)從X點(diǎn)移至Y點(diǎn)，此刻，電動(dòng)機(jī)輸出功率用圖形表示為（0，Q2，Y，H1）所包圍而成的矩形部分，其數(shù)值為：

PY=

當(dāng)采用調(diào)速控制供水流量時(shí)，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，機(jī)泵組工作點(diǎn)從X點(diǎn)移到J點(diǎn)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率用圖形表示為（O，Q2，J，H0）所包圍成的矩形面積，其數(shù)值為：

PJ=

當(dāng)采用調(diào)速控制供水流量時(shí)，所節(jié)省的能量為坐標(biāo)（H0，J，Y，H1）所圍成的矩形面積，其數(shù)值為：

DP=Py-pj= - =

所以，采用出口閥門控制供水系統(tǒng)流量時(shí)部分能量被浪費(fèi)，隨著閥門開度變小，供水管網(wǎng)的阻力增大，管阻特性曲線上移，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)上移，供水揚(yáng)程H1增大，被浪費(fèi)的能量隨之增加。調(diào)速前后流量Q、揚(yáng)程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系為：

= ； =（ ） ； =（ ）

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有：首先，提高供水質(zhì)量，滿足工業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化管理要求。傳統(tǒng)恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等方式普遍存在能量轉(zhuǎn)換效率低下、浪費(fèi)水、電資源、系統(tǒng)控制自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可有效控制供水壓力的大小，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的供水管理；其次，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)約能源。恒壓供水系統(tǒng)不僅避免了水資源浪費(fèi)，而且還避免了供水過程中的電能的浪費(fèi)；再次，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)功能。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流由零逐步升高至額定值，避免對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊；最后，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)還可以有效地消除供水管網(wǎng)水錘效應(yīng)，水錘效應(yīng)是供水系統(tǒng)中由供水壓力突變化造成的，對供水管網(wǎng)及附件造成損傷，而變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以有效地消除這種效應(yīng) [2]。（下轉(zhuǎn)第12頁）

（上接第7頁）2.3 變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能

管網(wǎng)出口供水壓力恒定是系統(tǒng)的控制目標(biāo)：首先供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。接通電源后，變頻器輸出的頻率從0Hz逐漸上升，PID調(diào)節(jié)器隨即接收來自出口壓力表的反饋信號，經(jīng)內(nèi)部自動(dòng)運(yùn)算后與所給定的壓力參數(shù)進(jìn)行對比，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若系統(tǒng)突然斷電，系統(tǒng)則停機(jī)，而當(dāng)電源恢復(fù)后就重新開始運(yùn)行；其次系統(tǒng)具有恒壓控制功能。根據(jù)用水量需求情況，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行即時(shí)控制，保證恒壓供水；再次系統(tǒng)具有系統(tǒng)保護(hù)功能。這個(gè)系統(tǒng)可以對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，這樣可以保護(hù)電路，從而保護(hù)整個(gè)供水系統(tǒng)。

圖3

3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在石油化工企業(yè)用水環(huán)境中的應(yīng)用

本用戶用水量情況如下：

（1）系統(tǒng)必保最低安全用水量：為保證消防用水需要，該流量保證必須可靠，即使在日常生產(chǎn)中不消耗，也必須實(shí)時(shí)保持供應(yīng)，該流量為280噸/小時(shí)；

（2）系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)用水量：當(dāng)企業(yè)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)每小時(shí)消耗的水量。該流量為680噸/小時(shí)～700噸/小時(shí)左右；

（3）系統(tǒng)超負(fù)荷生產(chǎn)用水量：極端情況下，系統(tǒng)最大用水量1000噸/小時(shí)。

針對企業(yè)用水需求情況并兼顧系統(tǒng)保安供水需求，兩臺工頻電機(jī)采用互投備用方式；兩臺變頻電機(jī)采用恒壓調(diào)整方式。采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)工頻電機(jī)的互投切換及變頻電機(jī)的自動(dòng)投、切及調(diào)速。全系統(tǒng)由：執(zhí)行設(shè)備、控制設(shè)備、信號檢測設(shè)備組成。

工程中應(yīng)注意，優(yōu)化閉環(huán)控制系統(tǒng)PID參數(shù)值，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)兼顧穩(wěn)定性、靈敏性；充分運(yùn)用變頻器的電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)功能，減少電流突變對電動(dòng)機(jī)本體和電網(wǎng)的沖擊，竭力消除供水管網(wǎng)水錘效應(yīng)；鑒于變頻器是電網(wǎng)系統(tǒng)中不可忽視的諧波源，在全系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)、施工上均考慮抗干擾和諧波處理問題，加強(qiáng)諧波屏蔽及可靠接地使得系統(tǒng)具有可靠的抗干擾能力和穩(wěn)定性[3]。

4 結(jié)束語

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)因其優(yōu)良的供水質(zhì)量、有效的節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，變使其在我國工業(yè)用水系統(tǒng)中扮演著重要的角色，在未來供水系統(tǒng)發(fā)展中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧權(quán)，張勇，閆軍.基于九點(diǎn)控制器的變頻調(diào)速恒壓供水控制研究[J].供水技術(shù)，2010（01）：27-28.

[2]黃鵬.住宅小區(qū)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用[J].中外建筑，2010（01）：23-24

[3]陳懷忠，朱金芳.基于Fuzzy-PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012（22）：35-36.

[責(zé)任編輯：劉帥]

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。變頻調(diào)速設(shè)備在供水系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛、節(jié)能、調(diào)速優(yōu)勢明顯。本文主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】供水系統(tǒng)；工作原理，變頻調(diào)速；應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；加之能源緊缺等因素，采用自動(dòng)控制及通訊技術(shù)、節(jié)能、適應(yīng)性強(qiáng)的恒壓供水系統(tǒng)發(fā)展迅速，在企業(yè)的供水系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

隨著工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)以及變頻恒壓供水系統(tǒng)都得到發(fā)展。變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度都得到很大程度的提高。國內(nèi)外都非常重視變頻器及其相關(guān)附屬產(chǎn)業(yè)的研究?，F(xiàn)在變頻器大都實(shí)現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)器等硬件集成，功能模塊通過設(shè)置指令代碼，搭載相應(yīng)的恒壓供水單元，系統(tǒng)控制內(nèi)部接觸器實(shí)現(xiàn)控制功能。從現(xiàn)有資料來看，目前國內(nèi)外對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究中有關(guān)水壓的閉環(huán)控制研究不夠充分，有關(guān)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的抗干擾、穩(wěn)定性等方面還有待進(jìn)一步研究和探索。

2 系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)及主要功能

2.1 變頻調(diào)速設(shè)備的工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、水泵、輸水管路、閥門等部分組成。閥門開度不變是供水系統(tǒng)工作點(diǎn)揚(yáng)程特性H=f（Qn）前提。流量Q與揚(yáng)程H間為反比關(guān)系。管阻特性是指水泵轉(zhuǎn)速恒定為前提，在閥門開度一定情況下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f（QG）。揚(yáng)程曲線和管阻曲線交匯點(diǎn)為供水系統(tǒng)工作點(diǎn)，即圖中A點(diǎn)，該點(diǎn)用水流量Qu和系統(tǒng)供水流量QG相等，系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖1

供水系統(tǒng)變頻調(diào)速控制的實(shí)質(zhì)是交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變施加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電源頻率進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)整電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的目的。

交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為[1]：

s=

交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速定義為：

n =

交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

n= （1-s）

n1：交流異步電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速；n：交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f：交流異步電動(dòng)機(jī)電源頻率；p：交流異步電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)。

供水流量控制方法有出口閥門開度控制、原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制兩種。前者通過調(diào)節(jié)出口閥門的開度調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，其控制方式的實(shí)質(zhì)是調(diào)整供水管路的阻力進(jìn)而調(diào)整流量。原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制是改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的，系統(tǒng)管阻特性是固定的，而揚(yáng)程特性隨著水泵轉(zhuǎn)速的變化而變化。根據(jù)用水量的變化，改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得供水管網(wǎng)的壓力保持恒定，根據(jù)用戶需要調(diào)整水的動(dòng)能，而不用將大量的供水能量消耗在閥門及管網(wǎng)的損耗上面。

圖2

由圖2可知：當(dāng)采用出口閥門控制供水流量時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在圖上的X點(diǎn)，對應(yīng)流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時(shí)，關(guān)小出口閥門，則閥門的阻力變大，管阻曲線從β3上移到β1，而揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從H0上升到H1，機(jī)泵運(yùn)行點(diǎn)從X點(diǎn)移至Y點(diǎn)，此刻，電動(dòng)機(jī)輸出功率用圖形表示為（0，Q2，Y，H1）所包圍而成的矩形部分，其數(shù)值為：

PY=

當(dāng)采用調(diào)速控制供水流量時(shí)，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，機(jī)泵組工作點(diǎn)從X點(diǎn)移到J點(diǎn)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率用圖形表示為（O，Q2，J，H0）所包圍成的矩形面積，其數(shù)值為：

PJ=

當(dāng)采用調(diào)速控制供水流量時(shí)，所節(jié)省的能量為坐標(biāo)（H0，J，Y，H1）所圍成的矩形面積，其數(shù)值為：

DP=Py-pj= - =

所以，采用出口閥門控制供水系統(tǒng)流量時(shí)部分能量被浪費(fèi)，隨著閥門開度變小，供水管網(wǎng)的阻力增大，管阻特性曲線上移，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)上移，供水揚(yáng)程H1增大，被浪費(fèi)的能量隨之增加。調(diào)速前后流量Q、揚(yáng)程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系為：

= ； =（ ） ； =（ ）

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有：首先，提高供水質(zhì)量，滿足工業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化管理要求。傳統(tǒng)恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等方式普遍存在能量轉(zhuǎn)換效率低下、浪費(fèi)水、電資源、系統(tǒng)控制自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可有效控制供水壓力的大小，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的供水管理；其次，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)約能源。恒壓供水系統(tǒng)不僅避免了水資源浪費(fèi)，而且還避免了供水過程中的電能的浪費(fèi)；再次，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)功能。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流由零逐步升高至額定值，避免對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊；最后，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)還可以有效地消除供水管網(wǎng)水錘效應(yīng)，水錘效應(yīng)是供水系統(tǒng)中由供水壓力突變化造成的，對供水管網(wǎng)及附件造成損傷，而變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以有效地消除這種效應(yīng) [2]。（下轉(zhuǎn)第12頁）

（上接第7頁）2.3 變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能

管網(wǎng)出口供水壓力恒定是系統(tǒng)的控制目標(biāo)：首先供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。接通電源后，變頻器輸出的頻率從0Hz逐漸上升，PID調(diào)節(jié)器隨即接收來自出口壓力表的反饋信號，經(jīng)內(nèi)部自動(dòng)運(yùn)算后與所給定的壓力參數(shù)進(jìn)行對比，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若系統(tǒng)突然斷電，系統(tǒng)則停機(jī)，而當(dāng)電源恢復(fù)后就重新開始運(yùn)行；其次系統(tǒng)具有恒壓控制功能。根據(jù)用水量需求情況，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行即時(shí)控制，保證恒壓供水；再次系統(tǒng)具有系統(tǒng)保護(hù)功能。這個(gè)系統(tǒng)可以對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，這樣可以保護(hù)電路，從而保護(hù)整個(gè)供水系統(tǒng)。

圖3

3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在石油化工企業(yè)用水環(huán)境中的應(yīng)用

本用戶用水量情況如下：

（1）系統(tǒng)必保最低安全用水量：為保證消防用水需要，該流量保證必須可靠，即使在日常生產(chǎn)中不消耗，也必須實(shí)時(shí)保持供應(yīng)，該流量為280噸/小時(shí)；

（2）系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)用水量：當(dāng)企業(yè)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)每小時(shí)消耗的水量。該流量為680噸/小時(shí)～700噸/小時(shí)左右；

（3）系統(tǒng)超負(fù)荷生產(chǎn)用水量：極端情況下，系統(tǒng)最大用水量1000噸/小時(shí)。

針對企業(yè)用水需求情況并兼顧系統(tǒng)保安供水需求，兩臺工頻電機(jī)采用互投備用方式；兩臺變頻電機(jī)采用恒壓調(diào)整方式。采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)工頻電機(jī)的互投切換及變頻電機(jī)的自動(dòng)投、切及調(diào)速。全系統(tǒng)由：執(zhí)行設(shè)備、控制設(shè)備、信號檢測設(shè)備組成。

工程中應(yīng)注意，優(yōu)化閉環(huán)控制系統(tǒng)PID參數(shù)值，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)兼顧穩(wěn)定性、靈敏性；充分運(yùn)用變頻器的電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)功能，減少電流突變對電動(dòng)機(jī)本體和電網(wǎng)的沖擊，竭力消除供水管網(wǎng)水錘效應(yīng)；鑒于變頻器是電網(wǎng)系統(tǒng)中不可忽視的諧波源，在全系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)、施工上均考慮抗干擾和諧波處理問題，加強(qiáng)諧波屏蔽及可靠接地使得系統(tǒng)具有可靠的抗干擾能力和穩(wěn)定性[3]。

4 結(jié)束語

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)因其優(yōu)良的供水質(zhì)量、有效的節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，變使其在我國工業(yè)用水系統(tǒng)中扮演著重要的角色，在未來供水系統(tǒng)發(fā)展中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧權(quán)，張勇，閆軍.基于九點(diǎn)控制器的變頻調(diào)速恒壓供水控制研究[J].供水技術(shù)，2010（01）：27-28.

[2]黃鵬.住宅小區(qū)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用[J].中外建筑，2010（01）：23-24

[3]陳懷忠，朱金芳.基于Fuzzy-PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012（22）：35-36.

[責(zé)任編輯：劉帥]

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。變頻調(diào)速設(shè)備在供水系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛、節(jié)能、調(diào)速優(yōu)勢明顯。本文主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】供水系統(tǒng)；工作原理，變頻調(diào)速；應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；加之能源緊缺等因素，采用自動(dòng)控制及通訊技術(shù)、節(jié)能、適應(yīng)性強(qiáng)的恒壓供水系統(tǒng)發(fā)展迅速，在企業(yè)的供水系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

隨著工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)以及變頻恒壓供水系統(tǒng)都得到發(fā)展。變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度都得到很大程度的提高。國內(nèi)外都非常重視變頻器及其相關(guān)附屬產(chǎn)業(yè)的研究?，F(xiàn)在變頻器大都實(shí)現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)器等硬件集成，功能模塊通過設(shè)置指令代碼，搭載相應(yīng)的恒壓供水單元，系統(tǒng)控制內(nèi)部接觸器實(shí)現(xiàn)控制功能。從現(xiàn)有資料來看，目前國內(nèi)外對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究中有關(guān)水壓的閉環(huán)控制研究不夠充分，有關(guān)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的抗干擾、穩(wěn)定性等方面還有待進(jìn)一步研究和探索。

2 系統(tǒng)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)及主要功能

2.1 變頻調(diào)速設(shè)備的工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、水泵、輸水管路、閥門等部分組成。閥門開度不變是供水系統(tǒng)工作點(diǎn)揚(yáng)程特性H=f（Qn）前提。流量Q與揚(yáng)程H間為反比關(guān)系。管阻特性是指水泵轉(zhuǎn)速恒定為前提，在閥門開度一定情況下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f（QG）。揚(yáng)程曲線和管阻曲線交匯點(diǎn)為供水系統(tǒng)工作點(diǎn)，即圖中A點(diǎn)，該點(diǎn)用水流量Qu和系統(tǒng)供水流量QG相等，系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖1

供水系統(tǒng)變頻調(diào)速控制的實(shí)質(zhì)是交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變施加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電源頻率進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)整電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的目的。

交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為[1]：

s=

交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速定義為：

n =

交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

n= （1-s）

n1：交流異步電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速；n：交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f：交流異步電動(dòng)機(jī)電源頻率；p：交流異步電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)。

供水流量控制方法有出口閥門開度控制、原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制兩種。前者通過調(diào)節(jié)出口閥門的開度調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，其控制方式的實(shí)質(zhì)是調(diào)整供水管路的阻力進(jìn)而調(diào)整流量。原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制是改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的，系統(tǒng)管阻特性是固定的，而揚(yáng)程特性隨著水泵轉(zhuǎn)速的變化而變化。根據(jù)用水量的變化，改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得供水管網(wǎng)的壓力保持恒定，根據(jù)用戶需要調(diào)整水的動(dòng)能，而不用將大量的供水能量消耗在閥門及管網(wǎng)的損耗上面。

圖2

由圖2可知：當(dāng)采用出口閥門控制供水流量時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在圖上的X點(diǎn)，對應(yīng)流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時(shí)，關(guān)小出口閥門，則閥門的阻力變大，管阻曲線從β3上移到β1，而揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從H0上升到H1，機(jī)泵運(yùn)行點(diǎn)從X點(diǎn)移至Y點(diǎn)，此刻，電動(dòng)機(jī)輸出功率用圖形表示為（0，Q2，Y，H1）所包圍而成的矩形部分，其數(shù)值為：

PY=

當(dāng)采用調(diào)速控制供水流量時(shí)，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，機(jī)泵組工作點(diǎn)從X點(diǎn)移到J點(diǎn)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率用圖形表示為（O，Q2，J，H0）所包圍成的矩形面積，其數(shù)值為：

PJ=

當(dāng)采用調(diào)速控制供水流量時(shí)，所節(jié)省的能量為坐標(biāo)（H0，J，Y，H1）所圍成的矩形面積，其數(shù)值為：

DP=Py-pj= - =

所以，采用出口閥門控制供水系統(tǒng)流量時(shí)部分能量被浪費(fèi)，隨著閥門開度變小，供水管網(wǎng)的阻力增大，管阻特性曲線上移，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)上移，供水揚(yáng)程H1增大，被浪費(fèi)的能量隨之增加。調(diào)速前后流量Q、揚(yáng)程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系為：

= ； =（ ） ； =（ ）

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有：首先，提高供水質(zhì)量，滿足工業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化管理要求。傳統(tǒng)恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等方式普遍存在能量轉(zhuǎn)換效率低下、浪費(fèi)水、電資源、系統(tǒng)控制自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可有效控制供水壓力的大小，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的供水管理；其次，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)約能源。恒壓供水系統(tǒng)不僅避免了水資源浪費(fèi)，而且還避免了供水過程中的電能的浪費(fèi)；再次，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)功能。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流由零逐步升高至額定值，避免對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊；最后，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)還可以有效地消除供水管網(wǎng)水錘效應(yīng)，水錘效應(yīng)是供水系統(tǒng)中由供水壓力突變化造成的，對供水管網(wǎng)及附件造成損傷，而變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以有效地消除這種效應(yīng) [2]。（下轉(zhuǎn)第12頁）

（上接第7頁）2.3 變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能

管網(wǎng)出口供水壓力恒定是系統(tǒng)的控制目標(biāo)：首先供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。接通電源后，變頻器輸出的頻率從0Hz逐漸上升，PID調(diào)節(jié)器隨即接收來自出口壓力表的反饋信號，經(jīng)內(nèi)部自動(dòng)運(yùn)算后與所給定的壓力參數(shù)進(jìn)行對比，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若系統(tǒng)突然斷電，系統(tǒng)則停機(jī)，而當(dāng)電源恢復(fù)后就重新開始運(yùn)行；其次系統(tǒng)具有恒壓控制功能。根據(jù)用水量需求情況，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行即時(shí)控制，保證恒壓供水；再次系統(tǒng)具有系統(tǒng)保護(hù)功能。這個(gè)系統(tǒng)可以對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，這樣可以保護(hù)電路，從而保護(hù)整個(gè)供水系統(tǒng)。

圖3

3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在石油化工企業(yè)用水環(huán)境中的應(yīng)用

本用戶用水量情況如下：

（1）系統(tǒng)必保最低安全用水量：為保證消防用水需要，該流量保證必須可靠，即使在日常生產(chǎn)中不消耗，也必須實(shí)時(shí)保持供應(yīng)，該流量為280噸/小時(shí)；

（2）系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)用水量：當(dāng)企業(yè)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)每小時(shí)消耗的水量。該流量為680噸/小時(shí)～700噸/小時(shí)左右；

（3）系統(tǒng)超負(fù)荷生產(chǎn)用水量：極端情況下，系統(tǒng)最大用水量1000噸/小時(shí)。

針對企業(yè)用水需求情況并兼顧系統(tǒng)保安供水需求，兩臺工頻電機(jī)采用互投備用方式；兩臺變頻電機(jī)采用恒壓調(diào)整方式。采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)工頻電機(jī)的互投切換及變頻電機(jī)的自動(dòng)投、切及調(diào)速。全系統(tǒng)由：執(zhí)行設(shè)備、控制設(shè)備、信號檢測設(shè)備組成。

工程中應(yīng)注意，優(yōu)化閉環(huán)控制系統(tǒng)PID參數(shù)值，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)兼顧穩(wěn)定性、靈敏性；充分運(yùn)用變頻器的電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)功能，減少電流突變對電動(dòng)機(jī)本體和電網(wǎng)的沖擊，竭力消除供水管網(wǎng)水錘效應(yīng)；鑒于變頻器是電網(wǎng)系統(tǒng)中不可忽視的諧波源，在全系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)、施工上均考慮抗干擾和諧波處理問題，加強(qiáng)諧波屏蔽及可靠接地使得系統(tǒng)具有可靠的抗干擾能力和穩(wěn)定性[3]。

4 結(jié)束語

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)因其優(yōu)良的供水質(zhì)量、有效的節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，變使其在我國工業(yè)用水系統(tǒng)中扮演著重要的角色，在未來供水系統(tǒng)發(fā)展中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧權(quán)，張勇，閆軍.基于九點(diǎn)控制器的變頻調(diào)速恒壓供水控制研究[J].供水技術(shù)，2010（01）：27-28.

[2]黃鵬.住宅小區(qū)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用[J].中外建筑，2010（01）：23-24

[3]陳懷忠，朱金芳.基于Fuzzy-PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012（22）：35-36.

[責(zé)任編輯：劉帥]