【文章內(nèi)容簡介】 在決定額定揚程和 額定流量時，通常裕量較大。 所以，在實際的運行過程中，即使在用水流量的高峰期 ，電動機也常常處于 輕載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。 采用了轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。由于電動機 在低頻運行時，變頻器具有能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了 電動機的工作效率。 這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的另外一個方面 1川 4311. 圖 “兩種常見調(diào)速方式效率曲線”為典型的液力偶合器和常見變頻器的 效率一轉(zhuǎn)速曲線，隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低 (例 如 :額定轉(zhuǎn)速時效率 ， 75%轉(zhuǎn)速時效率約 ， 20%轉(zhuǎn) 速時效率約 019)，而 變頻器在輸出轉(zhuǎn)速下降時效率仍然較高 (例如 :額定轉(zhuǎn)速時效率住 97，了 5%以上 轉(zhuǎn)速時效率大于 ， 20%以上轉(zhuǎn)速時效率大于 )。 從曲線數(shù)據(jù)看，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速降低時，液力偶合器的效率比變頻調(diào)速的效率下 降快得多，因此變頻調(diào)速的低速特性比液力禍合器要好。當(dāng)然，有一點我們應(yīng)該 看到，就是用于水泵 (風(fēng)機 )類負(fù)載時，由于其軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng) 轉(zhuǎn)速下降時，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉(zhuǎn)速 的下降成二次方比例下降，因此也能起到節(jié)能作用。 異步電動機在全電壓啟動時，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需要的時間只有 在 255。這意味著在 ，水的流量從零猛增到額定流量。由于水具有 動量和不可壓縮性，因此，在極短時間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強過 高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘 子敲擊管子一樣，故稱為水錘效應(yīng)。 水錘效應(yīng)具有極大的破壞性 :壓強過高，將引起管道的破裂，反之，壓強過 低又會導(dǎo)致管道的癟塌。此外，水錘效應(yīng)也可能破壞閥門和固定件 。 在直接停機時，供水系統(tǒng)的水頭將克服電動機的慣性而使系統(tǒng)急劇地停止。 這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在啟動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大 .在啟動 過程中，異步電動機和水泵的機械特性如圖 。圖中，曲線 1是異步電動 機的機械特性，曲線 2是水泵的機械特性，陰影部分是動態(tài)轉(zhuǎn)矩 T (即兩者之差 ). 由圖 “可知，水泵在直接啟動過程中，拖動系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩寫的大小如陰影 部分所示，是很大的。所以，加速過程很快 . 采用了變頻調(diào)速后，可以通過對升速時間的預(yù)置來延長啟動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn) 矩大為減小，如圖 。圖中，曲線簇 1是異步電動機在不同頻率下的機械 特性，曲線 2是水泵的機械特性，中間的鋸齒狀線是升速過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩 (即 不同頻率時電動機機械特性與水泵機械特性之差 )。 在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預(yù)置來延長停機過程，使動態(tài)轉(zhuǎn) 矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。 水錘效應(yīng)的消除 .無疑可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。此外，由于水泵 平均轉(zhuǎn)速下降、工作過程中平均轉(zhuǎn)矩減小的原因，使 : (1)葉片承受的應(yīng)力大為減小。 (2)軸承的磨損也大為減小。 所以，采用了變頻調(diào)速以后，水泵的工作壽命將大大延長 . 2， 由于變頻恒壓供水基本上都采用了變頻啟動，啟動頻率低，啟動電流小，因 此，除了對供水機泵和供水管網(wǎng)有保護作用，對供水電機和電網(wǎng)也有良好的保護 作用。供水系統(tǒng)電機直接啟動與變頻啟動的對比表如表 。 2， 7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。在供水系統(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 .最后從理論上分析了采取變頻恒壓供水方式對供水安全起的積極 作用 :可以消除水錘效應(yīng)，減少電機電網(wǎng)沖擊，延長系統(tǒng)的運行壽命。 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、 變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成 .系 統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利 用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒 定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù) 進行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，有以下幾種方案可 供選擇。 (1)有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將 Pm調(diào)節(jié)器和 P比 可編程控制器等硬件集成在 變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖 然簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力 反饋值的顯示方面比 較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時， PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu) 困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺 乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的 小容量場合。 (2)通用變頻器十單片機 (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )十人機界面 +壓力傳感器 。 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能價格 比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差， 同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生 干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以 必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的 小容量的變頻恒壓供水中。 (3)通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制卜人機界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進 行數(shù)據(jù)交換 。通用性強，由于 PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種 規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定 P比 的硬件配置和拍 的外 部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC機來改變存貯器 中的控制 程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 P比 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng) 的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與 供水機組的容量大小無關(guān)。 通過變頻恒壓供水系統(tǒng)我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu) 、信 號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、通訊接口以及報警裝置等部分組成。如圖 不 . 執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng) . 通常這些水泵包括 : (1)調(diào)速泵 :是由 變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用 水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 (2)恒速泵 :水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而 調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充 . 此外，通常一些變頻系統(tǒng)還會增設(shè)附屬小泵，它只運行于啟、停兩種工作狀 態(tài)，用以在用水量很小的情況下 (例如 :夜間 )對管網(wǎng)用水量進行少量的補充 . 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號 : (l)水壓信號 :它反映的是 用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反 饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC時，需進行 冉刃 轉(zhuǎn)換。另外為加強系統(tǒng) 的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測。檢測結(jié) 果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入。 (2)液位信號 :它反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時?？刂葡到y(tǒng)要 對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自在安裝于 水源處 (在樂山第一水廠設(shè)計中，為清水池水位 )的液位傳感器。 (3)報警信號 :它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是 否 有異常，該信號為開關(guān)量信號。 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (P比 系統(tǒng) )、變頻 器和電控設(shè)備三個部分 : (1)供水控制器 :它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接 對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù) 信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和 接觸器對執(zhí)行機構(gòu) (即水泵成行控制 . (2)變頻器 :它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元 .變頻器跟蹤供水控制器送來 的控制信號改變調(diào)速泵 的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機組中 水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式 : 1)變頻循環(huán)式 :變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該 水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。 2)變頻固定式 :變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺 恒速水泵，變頻器不做切換，變 頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇。 變頻器的電控設(shè)備它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組 成 .用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換及就地 /集中等 工作。 人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改 設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機 界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運 行過程進行監(jiān)視，對報警進行顯示。 通訊接口是本 系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件 以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換 。同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進的 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程的診斷和維護等。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于 不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、 變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報 警量進行監(jiān)測，由 P比 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要 的損失。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有 1臺變頻器控制 1臺水泵的簡單控 制方案，也有 1臺變頻器控制幾臺水泵的方案，下面將分別加以敘述 . (l)單臺變頻器控制單臺水泵 單臺變頻器控制單臺水泵的控制方案在國內(nèi)通常是指是一臺變頻器控制一 臺水泵。由于全部變頻系統(tǒng)中，變頻器、控制器、電機均無備份設(shè)備，出現(xiàn)問題 無法切換，故目前多適用于用水量不大，對供水的可靠性要求不高的場合。該控 制方案的控制原理框圖見圖 ，電路見圖 。 值得一提的 是，在國外或國內(nèi)少數(shù)大企業(yè)，也有一種每臺變頻器只帶一臺水泵的運行方式，但它的控制方式與上面是不同的，這些泵站往往是同時配備了多臺變頻器配多臺水泵，采用集中控制的辦法，這種變頻系統(tǒng)與國內(nèi)水泵站常用的一臺變頻器控制單臺水泵的工作方式是完全不一樣的。在這種系統(tǒng)中，由于有多臺變頻器，各水泵既可以同時變頻運行，也可以分別工頻運行，使其可靠性、安全性、可調(diào)節(jié)性大大優(yōu)于國內(nèi)常見的各種控制方式，不過在成本上，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前國內(nèi)的常用的變頻恒壓供水系統(tǒng)。 (2)單臺變頻器控制多臺水泵 利用單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系統(tǒng)，是目前應(yīng)用中比較先進的一種方案。下面以單臺變頻器控制 2臺水泵的方案來說明。該控制方案的控制原理見圖 。 控制系統(tǒng)的工作原理如下 :根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制 2臺水泵按 1一 2一 3一 4一 1的順序運行，以保證正常供水。開始工作時，系統(tǒng)用水量不多，只有 1號泵在變頻器控制下運行， 2號泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則 1號泵電機的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 1 臺水泵工作 己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)， 1 號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 2號泵電機，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 2. 當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時，表示只有 1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)，可將 1號泵電機停運， 2號泵電機仍由變頻器電源供電，這時，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 3。 當(dāng)用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則 2 號泵電機的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 1 臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此 時，通過控制系統(tǒng)的控制， 2 號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 1號泵電機，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4. 當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時，表示只有 1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)供水的要求，此時，通過控制系 統(tǒng)的控制， 2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器