【文章內(nèi)容簡介】 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(dān)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?，在變頻器內(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、降壓啟動的控制方式，但是這種控制方式易導(dǎo)致水壓波動過大。采用鎖相同步切換方式，可以有效減小切換時的沖擊電流。即采用鑒頻鑒相技術(shù)對變頻器的輸出電壓進行跟蹤，當變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致時，實現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間的同步平穩(wěn)切換，是多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題?？梢?，多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)有許多值得注意的地方， 如我們掌握好它的客觀規(guī)律， 就能做到以更少的投入換來更大的效益。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場合的供水，該系統(tǒng)具有以下特點：供水系統(tǒng)的控制變量是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量（如溫度、流量、濃度等）一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泵的停止和運行）是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。當出現(xiàn)意外的情況（如突然斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等）時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動進行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。水泵的電氣控制柜，具有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等。系統(tǒng)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，減少啟動電流對電網(wǎng)的沖擊的同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。 本章小結(jié)本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。根據(jù)揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式節(jié)能效果顯著。并且對水泵的運行方式做出分析，以及在恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)當重視的關(guān)鍵問題做出總結(jié)，最后列舉變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的主要特點。第三章 變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動多臺電動機的啟動、運行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運行。通過壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號，這個信號反饋給變頻器的PID模塊，經(jīng)PID運算，將信號輸出給PLC，PLC發(fā)出控制信號，控制水泵電機進行切換。PLC上接工控計算機，上位機裝有監(jiān)控軟件，對恒壓供水系統(tǒng)進行監(jiān)測控制?？傮w方案的確定是整個系統(tǒng)開發(fā)中最關(guān)鍵的部分，它的開發(fā)好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。它包括總體方案設(shè)計、工作原理、主要設(shè)備選取和工作流程規(guī)劃四部分。 變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)工作原理簡述由自來水管網(wǎng)或其它水源提供的水進入蓄水池,經(jīng)加壓水泵進入用戶管網(wǎng)，通過壓力變送器檢測管網(wǎng)的壓力信號，傳送給變頻器的PID模塊，經(jīng)運算后輸出信號送給PLC，從而控制變頻器的輸出頻率，進而保持供水管道的壓力恒定。用戶用水量大時，管網(wǎng)壓力下降，變頻器頻率就升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，反之頻率下降，水泵減速運行，從而維持恒壓供水[4]。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)圖在此供水系統(tǒng)中，控制對象是水泵，控制目標是保持管網(wǎng)水壓恒定，控制方法是壓力信號的反饋閉環(huán)控制。 變頻恒壓供水常用實現(xiàn)方法介紹在目前的恒壓供述系統(tǒng)中，常采用以下方法實現(xiàn)。 PID控制法PID控制算法簡單并且實用，已成為標準算法。對于小型或用水量變化不大的供水系統(tǒng)，PID控制是常用的控制方式。一般的變頻器均帶有PID控制單元，僅需將反饋量接入到變頻器的反饋端子或PLC的輸入端并設(shè)定好參數(shù)，即可投入使用。目前國內(nèi)多數(shù)的供水系統(tǒng)采用這種控制方式。但是供水系統(tǒng)是本質(zhì)非線性系統(tǒng)，當用水量變化較大時，系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化范圍也較大，那么固定參數(shù)的PID控制是無法適應(yīng)這種變化的，因而控制品質(zhì)將變差，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 模糊控制法模糊控制是處理復(fù)雜非線性系統(tǒng)的有效方法之一，已成為供水行業(yè)研究的熱點。但是常規(guī)模糊控制的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)不及PID控制，為此有不少文獻中將模糊控制與PID控制結(jié)合起來形成恒壓供水的自整定模糊PID控制，改善了供水系統(tǒng)的靜動態(tài)特性。 自適應(yīng)控制法除了模糊控制之外，自適應(yīng)控制也是處理被控對象的時變性和不確定性的重要方法。國外有文獻針對供水系統(tǒng)進行了自適應(yīng)控制的實驗研究。主要方法是采用自校正調(diào)節(jié)器(STR)。 自校正調(diào)節(jié)器原理框圖圖中輸出是水壓值，參考輸入是水壓設(shè)定值。這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本思想是在系統(tǒng)中加入對象參數(shù)的遞推估計器，并根據(jù)對象估計參數(shù)設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)。系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個環(huán)路組成，內(nèi)環(huán)包括被控對象和一個普通的線性反饋調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器的參數(shù)由外環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)則由一個遞推估計器和一個設(shè)計機構(gòu)組成。系統(tǒng)的過程建模和控制的設(shè)計都是自動進行，每個采樣周