【文章內(nèi)容簡介】 累下來也造成了巨大的電能浪費。 隨著變頻器技術(shù)的日益成熟，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領域得到了廣泛的應用。 由于交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高效節(jié)能，控制靈活，通用性強等諸多優(yōu)點，因此越來越被廣泛地應用到現(xiàn)代生產(chǎn)，生活中。尤其在當前資源緊張的大環(huán)境中，對節(jié)能的要求更為緊迫。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源緊缺問題日益明顯，因此應用變頻調(diào)速技術(shù)來提高供水質(zhì)量，降低能耗，在供水領域已得到越來越廣泛的重視。 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā) 展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統(tǒng)進行變頻改造的實踐中，往往會出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對一個典型的水塔供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實踐中，根據(jù)盡量保留原有設備的原則設計的，該系統(tǒng)很好的解決了舊設備需要頻繁檢修的問題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢，同時有效的節(jié)省了資金。 目前國內(nèi)的四類供水控制方式 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 54 頁 第 6 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實現(xiàn)水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調(diào)節(jié)。往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調(diào)試比較麻煩、工頻泵起動有沖擊、抗干擾能力較弱。但成本較低。 單片微機電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應付不同管網(wǎng)、不同供水情況時調(diào)試較麻煩，追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。 帶 PID 回路調(diào)節(jié)器和 /或可編程序控制器（ PLC）的 控制方式 該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)PID 調(diào)節(jié)器的控制 ，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。由 PID 回路調(diào)節(jié)器輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來說，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入 /輸出接口的可編程控制器價格很高，這無 形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入 /數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊 PWM 調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M標準信號，控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關(guān)量輸入 /輸出的可編程控制器和一個 PID 回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入 /輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設備中， PID 控制信號的輸入和輸出確定就成為降低給水設備成本的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 新型變頻調(diào)速供水設備 針對傳 統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58 泵切換卡； SANKEN的 SAMCOI 系列； ABB 公司的 ACS600、 ACS400 系列產(chǎn)品；富士公司的 G11S/P11S系列產(chǎn)品；這些產(chǎn)品將 PID 調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)， 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 54 頁 第 7 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于 PID 運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對 PID 算法的編程，而且 PID 參數(shù)的在線調(diào)試 非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略微高一點，但功能卻強很多，所以采用帶有內(nèi)置 PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了安裝調(diào)試時間。 變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展歷程及展望 作為高性能的調(diào)速傳動，直流發(fā)電機 －電動機調(diào)速控制方法長期以來一直被廣泛應用。但是直流電動機由于換向器和電刷維護保養(yǎng)很麻煩，價格也昂貴。使用異步電機實現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。異步電機的調(diào)速方法很多，例如變極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是由于各種各樣的缺點均沒有得到廣泛的應用。 70 年代以后，由于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微處理機技術(shù)的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點，而且調(diào)速性能可以和直流電動機的調(diào)速性能相媲美。三相異步電動機具有維修方便、價格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應面寬 等優(yōu)點，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。到 80 年代末，交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)，它將供給交流電機的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由 IGBT或 GTR 模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動電機在變速狀態(tài)下運行，并自動適應變負荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運行方式，從而達到節(jié)能目的。現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運行方式是可節(jié)電 40％～ 60％，節(jié)水 15％～ 30％。眾所周知，水泵的耗功率與 轉(zhuǎn)速三次方成正比，水泵是根據(jù)工頻是設計的，但正常運行時多數(shù)時間是流量較少時的情況，變頻能使轉(zhuǎn)速根據(jù)流量的變化而變化，速度可以下降 20%，比工頻運行能節(jié)省 20%40%的耗能。 由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可以獲得其它調(diào)速方式無法比擬的節(jié)能效果。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 54 頁 第 8 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 變頻恒壓供水的原理 在供水中，水泵的電能消耗及設備的維護管理 費用在生產(chǎn)成本中占有很大的比例，水泵電機作為一種高耗能通用機械，其耗電量占全國電量總消耗的 21%以上，具有很大而節(jié)能潛力。由于常規(guī)供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運行下的電機。因此，這種調(diào)控雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看，很不經(jīng)濟。近年來電機調(diào)速技術(shù)的應用，為水泵的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速來適應水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進行設備管理與維護，對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng) 濟效益具有極其重要的意義。 水泵的設計負荷是按最不利條件下最大時流量及相應揚程設定的。但實際運行中水泵每天只有很短時間的最大流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個工況點，需要根據(jù)實際情況進行控制。通常采用的方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達到控制流量的目的，因而浪費了能量，而電動機調(diào)速控制可以通過改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速來改變水泵的工況點，使其流量與揚程適應管用水量的變化，維持壓力的恒定，從而達到節(jié)能效果。 由流體力學可知，水泵 給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比：水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水量 Q成正比；管網(wǎng)的水壓 H與出水流量 Q的平方成正比。由上屬關(guān)系有，水泵的輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n的三次方成正比，即： P=k1HQ （ 1— 1） n=k2Q （ 1— 2） H=k3Q2 （ 1— 3） P=kn3 （ 1— 4） 式中 k1 、 k2 、 k k 為比例常數(shù)。 當系統(tǒng)出水量減小時，通過變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率也隨轉(zhuǎn)速的變小而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理圖如圖 所示： 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 54 頁 第 9 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 變頻調(diào)速節(jié)能原理圖 圖中曲線 3 為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線 4 為水泵轉(zhuǎn)速為 n1 時的運行特性曲線，曲線 5 為水泵轉(zhuǎn)速為 n2 時的運行特性曲線。 水泵原來的工作點為曲線 3 和曲線 4 的交點 A，此時的出水量為 Q1，管網(wǎng)壓力為 H1，水泵的轉(zhuǎn)速為 Q2 時，系統(tǒng)管網(wǎng)特性曲線 1，曲線1 和曲線 4 的交點 B 為運行工作點。此時管網(wǎng)壓力值為 H2，水泵輸出功率正比于 H2 Q2。由于 H2＞ H1，高出的壓力能量就被浪費了，同時過高的壓力對管網(wǎng)和設備還可能造成傷害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至 n2，曲線 5 和曲線 2 的交點 C 為水泵的運行工作點。調(diào)速后觀望的壓力仍保持為 H1，出水量為 Q2，水泵的輸出功率正比于 H1 Q2。從圖中 可見，陰影部分正比于浪費的功率輸出。例如，當Q2 為 Q1的 80%時，通過調(diào)速將 n2 調(diào)至 n1的 80%，則水泵的輸出功率 P 為 P 的 %。如不采取調(diào)速控制， %的能量將被浪費?？梢娮冾l調(diào)速的經(jīng)濟效益十分可觀。 變頻恒壓供水的意義 新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生 產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向高可靠性、全數(shù)字化微機控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 本系統(tǒng)所采用的恒壓供水系統(tǒng)具有很重要的意義。用戶用水是經(jīng)常變化的，因此， 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 54 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 供水不足和供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中地反應在供水的壓力上：用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力高。保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水質(zhì)量 。恒壓供