變頻器在工廠高樓供水系統中的典型應用

1 引言

      工廠高樓供水系統的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與可編程控制器（plc）構成控制系統，進行優化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的。工廠高樓供水系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入cpu運算處理后，發出控制指令，控制泵電動機的投運臺數和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值上。

      隨著電力電子技術的發展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發展。進入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發展。作為應用現代電力電子器件與微計算機技術有機結合的交流變頻調速裝置，隨著產品的開發創新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發生一場巨大的技術革命。目前自動恒壓工廠高樓供水系統應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統的控制裝置采用plc控制器，因plc不僅可實現泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統的數字pid調節功能，可對系統中的各種運行參數、控制點的實時監控，并完成系統運行工況的crt畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓工廠高樓供水系統具有標準的通訊接口，可與城市供水系統的上位機聯網，實現城區供水系統的優化控制，為城市供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經濟運行的手段。

2 工廠高樓供水系統組成及工作原理

      一般供水系統三臺泵組成，每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節水量之用，三臺泵為一臺小泵兩臺大泵組成，小泵為15kw大泵為30kw，三臺泵的協調工作以滿足供水需要。

      該工廠高樓供水系統由一臺plc和兩臺變頻器、兩個壓力傳感器、控制柜及相關設備組成。利用一臺變頻器可以控制兩臺30kw水泵的運轉，改造后，1#泵15kw始終處于工頻運轉，兩臺30kw水泵由變頻器的控制實現變工況運轉。

      1#泵工頻運轉一般不能滿足最小用水量，因此供水時首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在變頻啟動狀態，隨著壓力會自動調節頻率的高低以保持壓力的恒定，在用水量不大時，2#泵和1號泵同時工作可以滿足要求，如果用水量增大，2#泵會自動切換到工頻狀態，并給plc發出信號，繼而變頻啟動3#泵30kw，此時1#，2#泵工作在工頻狀態，3#泵工作在變頻狀態。由于3#泵的自動調節功能，從而保證系統的恒壓。一般而言，三臺泵同時投入是絕對能滿足要求的。

如果3#泵工頻運轉壓力不能滿足要求的話，則該變頻器會自動切除，退出工作，使3#泵處于工頻。該系統組成簡單，系統成本低，可靠性高。

3 工廠高樓供水系統功能

      該工廠高樓供水系統選用ABB變頻器。該系統中具有以下功能。

3.1 自動切換變頻/工頻運行功能

變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：

（1）方式0：基本工作方式。變頻器始終固定驅動一臺泵并實時根據其輸出頻率，控制其他輔助泵啟停。即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時則停止最后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數。

（2）方式1：交替方式。變頻器通常固定驅動某臺泵，并實時根據其輸出頻率，使輔助泵工頻運行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵1→泵2，當變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變為泵2→泵1。

（3）方式2：直接方式。當啟信號輸入時變頻器啟動第一臺泵當該泵達到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。

3.2 pid的調節功能

      由壓力傳感器反饋的水壓信號(4-20ma或-5v)直接送入plc的a/d口(可以通過手持編程器)，設定給定壓力值，pid參數值，并通過plc計算何以需切換泵的操作完成系統控制，系統參數在實際運行中調整，使系統控制響應趨于完整。

3.3“休眠”功能

      系統運行時經常會遇到用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節能，該系統專用設置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下限時，變頻器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止(處于休眠狀態)。當水壓繼續升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉2#泵或3#泵，當頻率到達一定值后將啟動1#泵調節2#或3#泵的轉速?！靶菝咧怠弊冾l器輸出的下限頻率pr507設置?！靶菝叽_認時間”用參數pr506設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間如小于休眠時間td時，即td＜tn時變頻器繼續工作，當td＞tn時變頻器將進入休眠狀態?！皢拘阎怠庇晒┧畨毫ο孪迒?，當供水壓力低于下限值時由plc發出指令喚醒變頻器工作。經測試“休眠值”為10hz；“休眠確認時間”td:20s；“喚醒值”70%。

3.4 通訊功能

      該工廠高樓供水系統具有計算機的通訊功能，plc變頻器均提供有rs232或485接口plc可選用西門子的s7-200計算機可以與一套或多套系統進行通訊，利用計算機同時可以監測：電流、電壓、頻率、轉速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數。

此外該系統還具有手動/自動操作，故障報警，運行狀態，電流，電壓、頻率狀態顯示缺水保護等功能。

4 工廠高樓供水系統的節能分析

      節能的功率可用下式表示：δp=p(0.4+0.6x-x3) 其中x=q/q0＝n/n0；q為實時水量；q0為滿負荷的水量；p為滿負荷的功率；n0為額定功率；n為實時功率。這里通過運行觀察，統計出三臺泵一天之內的運行時間為：1#泵24小時；2#泵大致運行19小時；3#泵僅運行13小時。如果按360天計算利用閥門來調節功率為：(30×2＋15）×24×360＝648000kwh；利用停止泵運轉方式為：［（15×24）＋（30×10）＋（30×13）］×360＝378000kw；利用變頻工作時：3#泵始終處在狀態為13小時；2#泵變頻工作為7小時(3#泵不工作，2#泵工作時間)；如果水量調到80%時計算兩個泵節電量為：p×h＝30×(0.4+0.6×0.8-0.83)×(13＋7)×360＝10800kwh；這樣與第二項計算與變頻節能計算時比用閥的調節節能為：648000-475200 +79488＝280800kwh；按每度電0.4元計算，每年可節省電費：280800×0.4＝112320元?？梢娒磕昕晒澥‰娰M約10萬元左右。

5 結束語

（1）工廠高樓供水系統恒壓供水技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。

（2）由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。

(3)因實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。

(4)水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統的喘振。

(5)由于變量泵工作在變頻工作狀態，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過程中可節約可觀的電能，其經濟效益是十分明顯的。由于其節電效果明顯，所以系統具有收回投資快，而長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大。