【正文】 多為上述電壓型的，但近來也有電流型的。由于 GTO 和 GTR 均有自己關斷的能力，故在變頻調速系統(tǒng) 中可省去復雜的換流電路和換流元件，從而消除了電路的換流損耗，故恒幅PWM 型變頻器具有高的調速效率和可靠性。由于輸出電壓由逆變器決定，所以 恒幅 PWM 型變頻器的調節(jié)速度快，系統(tǒng)的動態(tài)響應好 ； 并且由于直流電源由整流橋整流得到，所以無需移相控制，功率因數(shù)高。 PWM 型變頻器根據(jù)供給逆變器的直流電壓是可變還是恒定又分為恒幅 PWM型變頻器和 變幅 (脈沖幅值可調的 )PWM 型變頻器兩種。以單相變頻器 ?180 通電型為例，電壓型變頻器輸出的電壓波形為矩形 ； 而 PWM 型則是把電壓型的 ?180 矩形波分割成若千個脈沖，若適當選擇脈沖個數(shù)和脈沖寬度，則其輸出波形近和正弦波相當。逆變器中晶閘管等電子開關的通斷作用實質上是將直流電以一定的方向和次序分配給負載電動機的各個繞組，形成矩形波或階梯波的交流電流。逆變器中電子開關的通斷作用實質是將直流電壓以一定的方向和次序分配給負載電動機的各個繞組，形成矩形波或階梯形波的交流電壓。 22 交 直 交變頻器又分為電流型和電壓型兩種，兩者 的主要區(qū)別是中間濾波環(huán)節(jié)的濾波方式不同。由于交 交變頻器的輸出頻率一般最高只能達到電源頻率的 1/2～ 1/3， 所以它適用于低速大功率的傳動，在泵與風機的調速節(jié)能中迄今很少使用。交 直 交變頻器是先將工頻交流電通過整流器整流成直流 ； 再把直流電經(jīng)逆變器變成頻率可調的交流電。變頻器的變流元件 (電力開關元件 )目前使用的主要有如下 4 種 ： 晶閘管 (可控硅 )、大功率三極管 (GTR，動力晶體管 )、可關斷晶閘管 (GTO 可關斷可控硅 )、二極管。 從上面對恒磁通和恒功率的變頻調速特性分析可以得知，變頻調速從額定頻率往頻率下降的方向調速時，即次同步高速時，應采用恒轉矩 (恒磁通 )變頻調速 ； 變頻調速從額定頻率往頻率增加的方向調速時，即超過同步調速時，需要采用恒功率變頻調速 [9]。在這種情況下，可以采用恒功率變頻調速。這時若仍采用恒磁通變頻調速，則要求電動機的定子電壓隨著升高。 又由異步電動機的轉矩方程式知，當有功電流 2i 額定時， ? 一定時，電動機的轉矩 M也一 定，故恒磁通即恒轉矩。因此， ? 的增大，就會導致磁路過飽和，勵磁電流大大增加，這將使電 21 動機帶負載的能力降低，功率因數(shù)值變小，鐵損增加，電動 機過熱，這是不允許的。若 1f 從額定值 (我國通常為 50Hz)往下調節(jié)時， ? 就增大。根據(jù) 1f 與 1u 的關系，變頻調速原則上主要有以下兩種 ： 1) 恒轉矩變頻調速 (恒磁通變頻調速 ) 由異步電動機的電勢方程知 ： 電動機定子相電壓 1u 近似與電源 1f 、磁通 ? 的乘積成正比。因此，必須在調節(jié) 1f 的同時，對定子相電壓 1u 也進行調節(jié)，使 1f 與 1u 之間存在一定的比例 關系。變頻器就是基于上述原理采用交 直 交電源變換技術、電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。 4. 1. 1 變頻調速基本原理 變頻調速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系 ： )1(60 spfn ?? (41) 式中， n 表示電機轉速； f 表示電源頻率； s 表示電機轉差率； P 表示電機磁極對數(shù)。 4. 1 變頻器的工作原理和選擇 變頻器是采用交 直 交電源變換技術、電力電子技術、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產(chǎn)品，它通過改變電動機工作電源頻率從而達到改變電動機轉速的目的。系統(tǒng)最大功率為 ，揚程為 61m。當水池缺水時，保護電路中繼電器常開觸點斷開，切斷控制電路電源，從而保護系統(tǒng)。 具有缺水保護功能。雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小，但是當用戶用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時電動機的電流可能超過額定電流，導致電動機過熱。運行的水泵在斷開電源后，利用其運行的慣性切換到工頻，可避免切換過程中產(chǎn)生過電流。 6) 完善的各種保護、報警功能 對工頻電源和變頻電源 在供電控制回路上實現(xiàn)機械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生。 5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 遠傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PLC 的擴展模塊 PID 運算送給變頻器， 并給出信號直接控制水泵電動機的轉速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。 4) 采用 “ 自動切換 ” 和 “ 先啟先停 ” 原則 “ 自動切換 ” 是指當一臺單獨運行水泵或者有兩臺同時運行的水泵，運行在這種狀態(tài)下持續(xù)時間達到設定時 間時自動換泵運行。 2) 手動運行 當遠傳壓力表故障或變頻器故障時，為確保用水，四臺泵可分別以手動控制方式工頻運行。 待電源恢復正常后，系統(tǒng)自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動 1泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運行 。 3. 2 系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能 系統(tǒng)要求實現(xiàn)如下功能 ： 1) 全自動運行 合上自動開關后， 1泵電機通電，變頻器輸出頻率從 0Hz 上升，同時 PID 調節(jié)程序將接收到自遠傳壓力表的信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升，直到 50Hz， 1泵由變頻切換為工頻，同時對 2泵進行變頻啟 18 動，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推 ； 如用水量減小 (壓力過大 )，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動的泵先切除。 當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器己工作在最低速信號 (即變頻器的頻率下限信號 )有效，如果頻率下限信號持續(xù)出現(xiàn)， PLC 首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。 變 頻 器P L C水 泵 電 機遠 程 壓 力 表出 口 水 壓 檢 測 點用 戶 圖 32 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)原理圖 Principle chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities 當用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行 ； 當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，變頻器的高速信號 (即變頻器的頻率上限信號 )被 PLC檢測到，如果頻率上限信號持續(xù)出現(xiàn)一定時間， PLC 自動將原工作在變頻 狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，同時將另一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中遠傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號轉換成電流信號再經(jīng) PLC 的擴展模塊 PID 運算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機的轉速和泵水量以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，由此構成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。各部分功能如下 ： 1) 水泵用來提高水壓以實現(xiàn)向高處供水 ； 2) 安裝于供水管道上的遠傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉換成 420mA 的電信號 ； 3) 變頻調速器用于調節(jié)水泵轉速以調節(jié)管網(wǎng)中水流量 ； 4) PLC 用于水泵的邏輯切換、控制及供水壓力的 PID 控制等 ； 5) 外圍輔助電路 可 以當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以通過人工調節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，以保障連續(xù)生產(chǎn)。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率應定為 30Hz～ 35Hz。 一般來說，上限頻率也以等于額定頻率為宜，但有時也可以預置的略低一些，原因有二： 1) 變頻器由于內(nèi)部往往具有轉差補償功能，所以，在同是 50Hz 的 情況下，水泵在變頻運行時，實際轉速要高于工頻運行時的轉速，從而增大了水泵和電機的負載； 2) 變頻調速系統(tǒng)在 50Hz 下運行時，不如直接在工頻下運行為好，可以減少變頻器本身 的損失 ， 因此，將上限頻率預置為 49Hz 或 最合適。例如，當轉速超過額定轉速 10％ (nx＝ )時，轉矩將比額定轉矩超過 21％ (Tx＝ )，導致電動機嚴重過載。所以，在變頻啟動無過流的前提下，運轉開始頻率可預置的高一些，一般設定范圍為 0～ 20Hz(也可以通過預置下限頻率來達到目的 )。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉速下降在 20%以內(nèi)， 在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在 50%～ 100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。相反，采用變頻調速控制水泵電 機時，當轉速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。從圖上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。如果水泵轉速從 n0 降到 n1，水泵性能 曲線從 n0 平移到 n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到C 點，揚程從 H0 下降到 H2，流量從 Q0 減少到 Q1。運行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到 D 點，揚程從 H0 上升到 H1，流量從 Q0 減少到 Q1。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量。因此，水泵轉速調節(jié)要盡 量使水泵在高效區(qū)之內(nèi)運行，避免使變頻器頻率下降得過低，而造成水泵在低效率段運行。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉速 n，可使供水泵流量 Q、揚程 H 和軸功率N 以相應規(guī)律改變。由于水泵的流量、揚 程和消耗的功率都可以隨其轉速的變化而變化，變頻調速技術可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況，大大擴展了水泵的高效運行范圍。變頻 13 器調速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比 (V/F)曲線，設定加減速時間以及轉矩補償曲線，使電動機啟動時轉速從零開始逐漸升高，實現(xiàn)軟啟動，減少了啟動電流。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。若把水泵的效率曲線 ηQ 也畫在同一坐標系中 ，可以找出 A 點的揚程 AH 、流量 AQ 以及效率 A? 。 ssjx HHH ?? (29) 由式 (29)可以得到如圖 22 所示的 QHx? 管路性能曲線。由式 (28)可知管路水力損失與流量的平方成正比。 將式 (26)和 (27)代人 (25)可得 222222 22 SgALQgALQh jyjys ????????? ???? ?? ???? (28) 式中 S 被稱為管路阻力系數(shù)。 由流體力 學知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q 和功率 N 的關系為： N = PQ (24) 又功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率。保證了居民用水壓力的可靠。 根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控 制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調速系統(tǒng)，以使水泵的轉速保持與調速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調速技術和自控技術落后相結合，達到最佳節(jié)能效果。 根據(jù)水泵的相似原理： Q1/Q2=n1/n2 (21) H1/H2= (n1/n2)*2 (22) P1/P2=(n1/n2)*3 (23) 式中， Q、 H、 P、 n 分別為泵流量、壓力、軸的功率和轉速。管網(wǎng)的服務壓力 H0 恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的 浪費。這樣，在水量減少到 Q1 時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到 H1H0，則 h1 即為水泵的能量浪費。所以其工況點始終在 H? 上平移。 2) 水泵變速運轉，靠泵的出口壓力恒定來控制：此時，當用水量由 Qmax 下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉速來改變其特性。當用水量從 Qmax 減少到 Q1 的過程中 ， 采用不同的控制方案 ， 其水泵的能耗也不同。 如圖 21 所示， n 為水泵特性曲線 ， A 為管路特性曲線 ， H0 為管網(wǎng)末端的服務壓力 ， H? 為泵出口壓力。因此水泵工況點的確定和工況調節(jié)與這三者密切相關 [4]。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，還可能導致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。反映水泵運行工況的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。將來的趨勢必定是全面取代傳統(tǒng)供水方式，成為供水系統(tǒng)的主流。 變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的應用，為人民生活帶來極大的方便，也為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。 4) 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。 2) 中央空調系統(tǒng)。 變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要應用場合： 高層建筑 ， 城鄉(xiāng)居民小區(qū) ， 企事業(yè)等生活用水。 無塔供水系統(tǒng)不需要水塔、高位水箱和氣罐，設備簡單，控制實時性好，且能滿足不斷增加的供水需求。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快、長期受益的特點，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大的。 9 因為實現(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度，節(jié)省了人力。 當變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉換至工頻運行，確保供水不間斷。 主要優(yōu)點： 對電網(wǎng)沖擊小，保護功能完善。電動機泵組多由同型號的