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變頻器在工廠高樓供水系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

1 引言

      工廠高樓供水系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（plc）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。工廠高樓供水系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)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(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。

      隨著電力電子技術(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大容量、高頻率、響應(yīng)快、低損耗的方向發(fā)展。作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與微計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得交流異步電動機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場巨大的技術(shù)革命。目前自動恒壓工廠高樓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用plc控制器，因plc不僅可實(shí)現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字pid調(diào)節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運(yùn)行工況的crt畫面顯示、故障報(bào)警及打印報(bào)表等功能。自動恒壓工廠高樓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。

2 工廠高樓供水系統(tǒng)組成及工作原理

      一般供水系統(tǒng)三臺泵組成，每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)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(diào)工作以滿足供水需要。

      該工廠高樓供水系統(tǒng)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(shè)備組成。利用一臺變頻器可以控制兩臺30kw水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，改造后，1#泵15kw始終處于工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，兩臺30kw水泵由變頻器的控制實(shí)現(xiàn)變工況運(yùn)轉(zhuǎn)。

      1#泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)一般不能滿足最小用水量，因此供水時(shí)首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在變頻啟動狀態(tài)，隨著壓力會自動調(diào)節(jié)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)工作可以滿足要求，如果用水量增大，2#泵會自動切換到工頻狀態(tài)，并給plc發(fā)出信號，繼而變頻啟動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#泵的自動調(diào)節(jié)功能，從而保證系統(tǒng)的恒壓。一般而言，三臺泵同時(shí)投入是絕對能滿足要求的。

如果3#泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)壓力不能滿足要求的話，則該變頻器會自動切除，退出工作，使3#泵處于工頻。該系統(tǒng)組成簡單，系統(tǒng)成本低，可靠性高。

3 工廠高樓供水系統(tǒng)功能

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

3.1 自動切換變頻/工頻運(yùn)行功能

變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：

（1）方式0：基本工作方式。變頻器始終固定驅(qū)動一臺泵并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率，控制其他輔助泵啟停。即當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最大頻率時(shí)啟動一臺輔助泵工頻運(yùn)行、當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最小頻率時(shí)則停止最后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運(yùn)行泵的臺數(shù)。

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

（3）方式2：直接方式。當(dāng)啟信號輸入時(shí)變頻器啟動第一臺泵當(dāng)該泵達(dá)到最高頻率時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器啟動下一臺泵變頻運(yùn)行，相反當(dāng)泵停止條件成立時(shí)，先停止最先啟動的泵。

3.2 pid的調(diào)節(jié)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(可以通過手持編程器)，設(shè)定給定壓力值，pid參數(shù)值，并通過plc計(jì)算何以需切換泵的操作完成系統(tǒng)控制，系統(tǒng)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。

3.3“休眠”功能

      系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會遇到用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節(jié)能，該系統(tǒng)專用設(shè)置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當(dāng)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(dāng)水壓繼續(xù)升高時(shí)將停止1泵，當(dāng)水壓下降到一定值時(shí)將先啟動變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)2#泵或3#泵，當(dāng)頻率到達(dá)一定值后將啟動1#泵調(diào)節(jié)2#或3#泵的轉(zhuǎn)速。“休眠值”變頻器輸出的下限頻率pr507設(shè)置?！靶菝叽_認(rèn)時(shí)間”用參數(shù)pr506設(shè)置，當(dāng)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(xù)工作，當(dāng)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?，當(dāng)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(rèn)時(shí)間”td:20s；“喚醒值”70%。

3.4 通訊功能

      該工廠高樓供水系統(tǒng)具有計(jì)算機(jī)的通訊功能，plc變頻器均提供有rs232或485接口plc可選用西門子的s7-200計(jì)算機(jī)可以與一套或多套系統(tǒng)進(jìn)行通訊，利用計(jì)算機(jī)同時(shí)可以監(jiān)測：電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數(shù)。

此外該系統(tǒng)還具有手動/自動操作，故障報(bào)警，運(yùn)行狀態(tài)，電流，電壓、頻率狀態(tài)顯示缺水保護(hù)等功能。

4 工廠高樓供水系統(tǒng)的節(jié)能分析

      節(jié)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為滿負(fù)荷的水量；p為滿負(fù)荷的功率；n0為額定功率；n為實(shí)時(shí)功率。這里通過運(yùn)行觀察，統(tǒng)計(jì)出三臺泵一天之內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間為：1#泵24小時(shí)；2#泵大致運(yùn)行19小時(shí)；3#泵僅運(yùn)行13小時(shí)。如果按360天計(jì)算利用閥門來調(diào)節(jié)功率為：(30×2＋15）×24×360＝648000kwh；利用停止泵運(yùn)轉(zhuǎn)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(diào)到80%時(shí)計(jì)算兩個(gè)泵節(jié)電量為：p×h＝30×(0.4+0.6×0.8-0.83)×(13＋7)×360＝10800kwh；這樣與第二項(xiàng)計(jì)算與變頻節(jié)能計(jì)算時(shí)比用閥的調(diào)節(jié)節(jié)能為：648000-475200 +79488＝280800kwh；按每度電0.4元計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)：280800×0.4＝112320元。可見每年可節(jié)省電費(fèi)約10萬元左右。

5 結(jié)束語

（1）工廠高樓供水系統(tǒng)恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門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(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。

(3)因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。

(4)水泵電動機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動機(jī)啟動時(shí)的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時(shí)也避免了電動機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。

(5)由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大。