【文章內(nèi)容簡介】 頻供水系統(tǒng)中負載轉(zhuǎn)矩與電機實際輸出轉(zhuǎn)矩的配合。根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的運動方程式，再忽略空載轉(zhuǎn)矩條件下，電磁轉(zhuǎn)矩，這樣，運動方程式為 （211）式中，為系統(tǒng)的飛輪矩。可見，在基頻以下實現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍比較大，即使考慮低頻下的影響，仍可使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，非常適宜供水系統(tǒng)晝夜用水變化較大的場合。由于采用恒的控制特性，使整個調(diào)速運行中，保持額定磁通，保持不變，從功率因數(shù)看，是最好的控制特性。⑶ 水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理。離心式水泵廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活供水系統(tǒng)中。其輸出特性取決于水泵的種類和供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性。水泵軸功率按下式計算： （212）式中，為軸功率；為工況點的流量；為工況點的揚程；為介質(zhì)的單位體積重量；為工況點的效率。每臺水泵只有在原設(shè)計工況點時，泵的使用效率才為最高點，偏離這個工況點效率就會降低。根據(jù)以上分析，按照供水系統(tǒng)的實際流量和揚程以及與之相對應(yīng)的水泵使用效率可以算出水泵經(jīng)濟的軸功率，即 (213)這樣，整個供水系統(tǒng)的節(jié)能潛力為: （214）式中，為水泵消耗的總軸功率；為水泵運行時間。水在管道輸送時，受到管網(wǎng)阻力的作用。管網(wǎng)裝置特性可以從閥門全開時測得的各種數(shù)據(jù)，由下式求得： （215）式中，為阻力系數(shù)；為泵進出口水位差。從管網(wǎng)特性上求得管網(wǎng)實際所需的性能以及泵與管網(wǎng)性能的匹配情況，以此作為水泵節(jié)能依據(jù)。根據(jù)式213求出閥門控制流量運行時的泵軸功率為： (216)變頻調(diào)速運行時的泵軸功率為: (217)兩者之差 (218)也就是說，用閥門控制流量時有的功率被白白浪費了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小而增加，而被浪費的功率要隨之增加。根據(jù)水泵運行的相似定律，變速前后流量、揚程、軸功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為: ；； (219)式中，、為變速前的流量、揚程、功率；、為變速后的流量、揚程、功率。由式219可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。例如:一臺水泵電機功率為55，當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，%，當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，%。 功率因素補償節(jié)能無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴重。~，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，功率因數(shù)接近1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。 軟啟動節(jié)能由于電機為直接啟動或啟動，啟動電流等于(4~7)倍額定電流，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護費用。 多泵并聯(lián)恒壓供水節(jié)能變頻恒壓供水節(jié)能的效果主要取決于用水流量的變化情況及水泵的合理選配，為了使供水系統(tǒng)具有優(yōu)良的節(jié)能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯(lián)的供水模式。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知，在該系統(tǒng)中只需要其中一臺泵是變頻泵，其余全是工頻泵，便可實現(xiàn)恒壓變量供水。變頻恒壓供水當中，變頻泵的流量是變化的，當變頻泵是各并聯(lián)泵中最大，即可保證恒壓供水。變頻恒壓供水中，在設(shè)計上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變（因工況不變），使之處于高效率區(qū)工作，變頻泵的流量是變化的，其工作效率隨流量而改變。因為采用多泵并聯(lián)恒壓供水，變頻泵的功率降低，從而可以降低能耗，改善節(jié)能狀況。當多泵并聯(lián)恒壓供水系統(tǒng)采用具有自動睡眠功能的變頻器，當用水流量接近于零，變頻泵能自動睡眠停泵，從而可以做到不用水時自動停泵而沒有能量損耗，具有最佳的節(jié)能效果。在現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)中，采用一臺或多臺變頻調(diào)速泵給水的突出優(yōu)點是：⑴ 采用變頻調(diào)速給水可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有優(yōu)異的節(jié)能效果。采用變壓變量給水可以做到使節(jié)流損耗降低到零，具有最佳的節(jié)能效果，但是這種變壓變量給水系統(tǒng)只適用于特點是給水管路系統(tǒng)，沒有通用性。國外有一種準變壓變量供水系統(tǒng)，這種給水系統(tǒng)的給水壓力隨給水流量的增大而階躍上升，對于多泵聯(lián)的供水設(shè)備，當多投入一臺工頻泵，給水恒壓值上升一個臺階，臺階值可以按需設(shè)定。這種準變壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備可以適用于給水管路，具有一定的通用性。⑵ 變頻恒壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備的給水壓力可調(diào)，在設(shè)計上允許降低給水壓力的計算精度，在使用上可以適應(yīng)不同的給水壓力要求。要達到建筑給水節(jié)能，首先要求給水泵處于高效率區(qū)工作。眾所周知，離心泵的高效率區(qū)處決于泵的工況。當采用變頻調(diào)速時，則泵的高效率區(qū)擴大，因此采用變頻調(diào)速可以節(jié)能。其次是防止給水泵出現(xiàn)“大馬拉小車”的工況。如果采用臺泵，當小流量用水時必然出現(xiàn)“大馬拉小車“的工況，此時水泵的效率低，功率浪費大。為了防止“大馬拉小車”，通常的做法是采用多臺水泵并聯(lián)給水的方式，多用水多開泵，少用水少開泵，可以顯著減輕“大馬拉小車”弊端的出現(xiàn)，改善節(jié)能的效果。理論分析及實際使用證明，多泵并聯(lián)變頻調(diào)速給水可以顯著提高節(jié)能效果。所以現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)大多采用多泵并聯(lián)恒壓變量給水方式。采用多泵并聯(lián)給水，按變頻調(diào)速恒壓給水原理，在多泵并聯(lián)的給水系統(tǒng)中，只要其中有一臺是變頻調(diào)速泵，就可以達到恒壓給水的目的。為了達到恒壓給水，變頻泵必須是并聯(lián)泵中的最大者，最經(jīng)濟的配泵方案是各并聯(lián)泵的大小相同。從節(jié)能考慮，并聯(lián)水泵的臺數(shù)愈多愈好，但是如數(shù)太多，設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度也隨之上升，系統(tǒng)（設(shè)備）的整體經(jīng)濟、合理性下降。 水泵運行方式的選擇這里說的多泵并聯(lián)變頻恒壓供水的工作方式是指以下兩種， 一是變頻循環(huán)軟啟動工作方式， 二是變頻泵固定方式。變頻循環(huán)軟啟動工作方式指用一臺變頻器可以輪流去啟動和控制每臺水泵變頻運行， 但是按照變頻器工作原理， 在運行中的變頻器一般不允許在其輸出端進行切換，否則在切換過程中會使變頻器中的某些電子器件受到大電流的沖擊而降低其壽命。在變頻泵自動輪換過程中， 要在變頻器的輸出端進行切換；為了保護變頻器， 在進行自動切換之前應(yīng)使變頻器停止運行。在變頻器停止運行的條件下， 在其輸出端進行切換，在切換好后再重新啟動變頻器而恢復(fù)正常運行。因此， 其控制電路比較復(fù)雜， 會增加變頻控制柜的造價，但各個泵的磨損程度大致相同，其應(yīng)用廣泛，推薦使用[3]。變頻泵固定方式通常是這樣的：當用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量， 由一臺變頻泵恒壓供水；當用水量增大， 變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升；當變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速， 用水流量進一步增大， 由變頻供水控制器控制， 自動啟動一臺工頻泵投入， 該工頻泵提供的流量是恒定的( 工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量) ， 其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入；當用水量下降， 變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降( 變頻器輸出頻率下降)；當頻率下降到零流量的時候， 變頻供水控制器發(fā)出一個指令， 自動關(guān)閉一臺工頻泵使之退出并聯(lián)供水。這種方法雖然控制回路簡單， 可靠性較高，但各泵磨損情況不一，不推薦使用。 變頻循環(huán)方式切換下面就上述工作方式進行舉例討論。假設(shè)該恒壓供水系統(tǒng)由三個水泵構(gòu)成。系統(tǒng)正常運行時，用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數(shù)據(jù)采樣，傳輸至變頻器，與用戶設(shè)定的壓力值進行比較，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號和工頻泵啟停信號，此信號送至可編程控制器，變頻器調(diào)節(jié)水泵電機的電源頻率，進而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，PLC 控制工頻泵的啟停。通過對水泵的啟動和停止臺數(shù)及其中變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，將用戶管網(wǎng)中的水壓恒定于用戶預(yù)先設(shè)計的壓力值，達到恒壓供水的目的。具體系統(tǒng)采用3臺水泵并聯(lián)運行方式，當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力要求時，變頻器的控制信號被PLC檢測，通過PLC控制泵組的切換。PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將下一臺備用泵用變頻器啟動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量，保證壓力穩(wěn)定。所有水泵電機從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現(xiàn)帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊，相對延長了電機的使用壽命。PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。壓力傳感器檢測水管的流水壓力，將水壓變換為電信號，控制變頻器的工作。 變頻固定方式切換當采用變頻固定方式時，僅將1水泵與變頻器相連。當1水泵不能滿足用水需求時（也就是管網(wǎng)壓力小于與設(shè)定值時），PLC將啟動2工頻泵（1變頻泵仍舊變頻運行）；如用水量繼續(xù)增大時，將順序啟動3工頻泵（1變頻、2工頻、3工頻）；如果用水量減小，則將首先關(guān)閉2泵，即遵循先開先停的順序依次關(guān)閉工頻泵。 變頻固定方式切換原理框圖 多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)相關(guān)問題研究變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和民用生活領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。特別是通用變頻器和異動電機結(jié)合起來，實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的調(diào)速傳動控制，其具有固定的優(yōu)勢，應(yīng)用到不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，可以體現(xiàn)不同的功能，收到相應(yīng)的效益。目前，變頻恒壓供水已得到廣泛應(yīng)用，而采用多泵并聯(lián)的變頻恒壓供水技術(shù)，由于在滿足工藝要求的前提下大大節(jié)省了投資， 更是被大量地應(yīng)用到供水實踐中去，但是在應(yīng)用過程中，也存在著一些比較突出的問題， 經(jīng)過資料收集，分析如下。 變頻泵與固定泵容量配比問題由于調(diào)速裝置造價高、維護復(fù)雜，多數(shù)供水系統(tǒng)配備均為一調(diào)(調(diào)速水泵)多定(定速水泵)，而且調(diào)速泵與定速泵容量相差不大，很多恒壓供水裝置的配備都是1:1，這樣做主要存在以下缺點:第一，造成供水系統(tǒng)運行不穩(wěn)定:第二，調(diào)速泵運行效率很低。下面以調(diào)/定速水泵容量為1: 1為例進行分析。通常，采用調(diào)速水泵作為主泵，當它的供水量達到額定水量的100%時，水泵的運行速度已經(jīng)達到最大值，不能再提高，如果供水量繼續(xù)增大，供水壓力將下降，到一定程度定速水泵投入運行，如果調(diào)速泵與定速泵的容量配比為1: 1，則定速泵投入運行后，供水量固定為100%，此時調(diào)速泵的供水量設(shè)為ΔQ， 這個ΔQ在某些情況下約為(5%～10%)。由此可見，由于定速泵容量設(shè)置過大， 調(diào)速泵水量下調(diào)幅度變得很小， 僅為ΔQ， 若此時供水量稍有減少， 系統(tǒng)即執(zhí)行定速泵停機操作，使定速泵出現(xiàn)頻繁操作現(xiàn)象。另外，在這種情況下， 定速泵投入運行后， 很顯然運行效率很低， 起不到節(jié)能效果。水泵在工頻運行時， 流量50%以下時處在低效段，對于調(diào)速泵而言， 由于等效段的擴大，這個值最小為40%。如果綜合水泵運行效率考慮，調(diào)速泵流量具有向上、下限相等的調(diào)節(jié)范圍(上限為100%，下限為40%)，顯然無論在定速泵退出或投入時， 調(diào)速泵的流量取中間值 70%最合適， 即定速泵流量為調(diào)速泵的30%。運行情況是這樣的:當定速泵流量達到 100%并且繼續(xù)增加時，投入流量為調(diào)速泵30%的定速泵，此時調(diào)速泵流量為70%，距離高效區(qū)的上下限均為30%；當定速泵與調(diào)速泵并聯(lián)運行，調(diào)速泵流量降到為40%并且繼續(xù)降低時，切除流量為調(diào)速泵30%的定速泵， 此時調(diào)速泵流量亦為70%，距高效區(qū)的上下限也均為30%。綜上所述，合理的調(diào)、定速容量配比為1: ，按照上述方法的對固定泵進行投切控制，不僅可以促使水泵最大可能地運行在高效區(qū)，而且，使定速泵投入后調(diào)速水泵有充分的余地進行調(diào)節(jié)，上調(diào)及下調(diào)幅度均為其額定容量的30%左右，供水系統(tǒng)不易出現(xiàn)水泵操作頻繁現(xiàn)象。 多泵并聯(lián)供水系統(tǒng)中電機的供電源切換問題研究交流異步電動機直接啟動所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響，故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟啟動方案。采用變頻器帶動電機從零速開始啟動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速，此時變頻器同時承擔了軟啟動的任務(wù)。變頻軟啟動的優(yōu)點是，由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產(chǎn)生過電流，并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的啟動力矩，故特別適合于需重載或滿載啟動的大功率水泵電機。多泵恒壓供水系統(tǒng)為了提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備的投入費用，常采用一臺變頻器拖動多臺電機變頻運行的方案。當變頻器帶動電機達到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行，變頻器可以再去啟動其他的電動機。這樣就不可避免地要進行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。 變頻器的輸出切換問題，大概有兩種看法:一種是將變頻器當作一般的交流電源，或者象軟啟動器一樣，因而可以將電動機在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認為由于變頻器自身的設(shè)計原理，是不允許變頻器在運行中進行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗，但未找到詳細資料。目前，變頻器和工頻電源之間的切換，的控制方式多為同步鎖相控制。當電機功率較大時，切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網(wǎng)一致，而且兩者的相位也必須相同。如果相位差較大，會造成對電網(wǎng)和變頻器雙方的電流沖擊，還會影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作，并損壞變頻器。最嚴重的情況是出現(xiàn)在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為l80o時，電機的反電勢將與電網(wǎng)電壓疊加，造成很大的電壓沖擊和過電流。據(jù)文獻介紹，Ross Hill公司的VFD變頻裝置通過對電動機的端電壓進行采樣、適當?shù)目刂疲谧冾l器內(nèi)部對轉(zhuǎn)矩進行微調(diào)，可以實現(xiàn)在電機電壓和主線電壓相位相同的瞬間，先接通工頻電源后斷開變頻器輸出，保證了在電機不丟轉(zhuǎn)的情況下無任何過電流。國內(nèi)目前在變頻與工頻切換控制方面，大多采用延時、降