1、引言
隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，我國城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，對相關(guān)的配套設(shè)施提出了更高的要求。供水行業(yè)是各項(xiàng)生產(chǎn)和生活用水的基本保障，不斷優(yōu)化和完善供水系統(tǒng)成為供水企業(yè)的重要研究課題。從目前情況分析，一些在運(yùn)行的供水泵的自動(dòng)化水平較低，供水效率也比較低，同時(shí)存在較大的能耗，在一些供水企業(yè)或者社區(qū)存在著水資源浪費(fèi)現(xiàn)象，進(jìn)一步造成了經(jīng)濟(jì)損失。而變頻技術(shù)是一種高效調(diào)速技術(shù)，通過調(diào)整電流實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)，具有高頻化、數(shù)控化、集成化的應(yīng)用功能特點(diǎn)，在供水系統(tǒng)中能夠發(fā)揮良好的節(jié)能降耗效果，有利于供水行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化。
2、變頻調(diào)速技術(shù)簡介
2.1變頻器
變頻器根據(jù)需要將工頻電源轉(zhuǎn)為不同頻率的交流電源，從而實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。變頻器的組成主要包括整流器、中間電路、逆變器以及周圍的電路等幾部分，如圖1所示，其中整流器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的交流電源進(jìn)行整流，實(shí)現(xiàn)交流變直流，中間電路則是對整流器輸出的電源進(jìn)行平滑濾波，并傳輸給逆變器，逆變器作為變頻器的核心部件，需要完成直流變交流的逆變工作，為電動(dòng)機(jī)提供所需頻率的交流電源[1]。目前，新型變頻器都配置了通信接口，對各種檢測到的信號和參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與變頻器之間的通信功能，可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的處理以及運(yùn)行指令的下達(dá)，在需要高精度控制時(shí)，可將反饋信號反饋到變頻器，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。以變頻器為基礎(chǔ)的變頻技術(shù)在各個(gè)行業(yè)得到推廣，充分發(fā)揮了其節(jié)能降耗、自動(dòng)化控制、質(zhì)量提高、減小維修、提高適應(yīng)性等優(yōu)勢。
2.2變頻技術(shù)
變頻技術(shù)的基本原理就是通過調(diào)整電源的頻率實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。交流電動(dòng)機(jī)主要包括同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：n=60fp(1-s);其中s=n0-nn0，式中n表示轉(zhuǎn)子速度，n0表示電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，s表示轉(zhuǎn)差率，f表示電源頻率，p表示電機(jī)極對數(shù)，通過公式我們可以發(fā)現(xiàn)，電源頻率、極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率三個(gè)方面的改變可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，其中變頻調(diào)速是最穩(wěn)定和簡單的調(diào)速技術(shù)，這就需要發(fā)揮變頻器的變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。在水泵等設(shè)備中，變頻器主要采用VVVF控制方式，即保持電壓和頻率的比例系數(shù)不變，即改變電源頻率的同時(shí)，對輸出電壓進(jìn)行有效控制，從而保障電動(dòng)機(jī)的磁通不變，這種變頻調(diào)速技術(shù)叫作恒U/f控制。
3、變頻技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1水泵調(diào)速方案的選擇
供水系統(tǒng)中的水泵運(yùn)行過程中，輸出揚(yáng)程H和電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方形成正比例關(guān)系，在水流量為零的情況下，供水管道內(nèi)部也要保持一定的水壓。供水系統(tǒng)中的水流量隨著用戶用水量而產(chǎn)生變化，具有一定的隨機(jī)性，因此，針對水泵電機(jī)主要通過控制水壓實(shí)現(xiàn)供水控制。水泵也是一種減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成比例，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩也會(huì)減小，因此變頻器可以通過SF模式實(shí)現(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。供水系統(tǒng)往往應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒壓控制，在這個(gè)過程中要求水壓連續(xù)可調(diào)，可以通過PID調(diào)節(jié)器建立壓力閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，但是在保持電機(jī)動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)方面存在不足。這時(shí)候還可以采用內(nèi)環(huán)為速度閉環(huán)的SF控制系統(tǒng)，改善恒壓供水系統(tǒng)的整體性能[2]。
3.2變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器和變頻器形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化和改善，進(jìn)一步提高供水系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，SF變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)為一種內(nèi)環(huán)控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，首先要啟動(dòng)主泵，供水管網(wǎng)中的水壓需要達(dá)到設(shè)定數(shù)值，同時(shí)變頻器的輸出穩(wěn)定在特定范圍。當(dāng)用戶的用水量增加時(shí)，管道內(nèi)的水壓就會(huì)降低，壓力變送器采集該信號，并傳送給比較器，比較器將該壓力數(shù)值與給定的壓力數(shù)值做比較，將差值輸入到PID控制器，經(jīng)PID處理的數(shù)值再傳入SF控制變頻器，作為轉(zhuǎn)差給定值，進(jìn)而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對管道水壓的調(diào)節(jié)，使其回復(fù)給定數(shù)值，系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。在用水量增加過多的情況下，主泵的供水量難以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制效果，則需要啟動(dòng)備用泵，如果用水量減少，也可以實(shí)現(xiàn)備用泵的自動(dòng)切除。因此，在供水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻器可以根據(jù)水壓信號實(shí)現(xiàn)雙位控制，進(jìn)而保證供水質(zhì)量。
4、變頻技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用效益
利用變頻技術(shù)對供水系統(tǒng)進(jìn)行全流量恒壓控制，能夠取得良好的運(yùn)行效益，主要包括以下幾點(diǎn)：第一，高效節(jié)能，變頻恒壓供水系統(tǒng)可以根據(jù)水壓設(shè)定值，在水壓發(fā)生變化時(shí)對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保障供水效率，進(jìn)一步減少電能損失;第二，供水壓力穩(wěn)定，系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制方式，能夠根據(jù)系統(tǒng)水壓和壓力設(shè)定值差值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)壓力保持恒定，流量連續(xù)可調(diào);第三，PID調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，通過壓力傳感器反饋的信號，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并利用PLC技術(shù)進(jìn)行壓力值和PID相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，通過PLC運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)分析和處理，并且程序可以根據(jù)用戶需求靈活調(diào)整;第四，“休眠”功能，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常遇到用戶用水量較小或不用水的情況，為了節(jié)能，系統(tǒng)具備可以使水泵具有暫停工作的“休眠”功能，當(dāng)變頻器頻率輸出低于下限時(shí)，變頻器停止工作，當(dāng)變頻器頻率達(dá)到設(shè)定啟動(dòng)值后啟動(dòng)水泵運(yùn)行;第五，延長電機(jī)、水泵使用壽命，各泵均為軟啟動(dòng)，消除了全壓啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，延長了設(shè)備的使用壽命，采用各泵循環(huán)軟啟動(dòng)，促使各泵不會(huì)因長久不用而生銹或頻繁使用而磨損[3]。
5、結(jié)語
總而言之，變頻技術(shù)是一種高新節(jié)能調(diào)速技術(shù)，應(yīng)用在供水系統(tǒng)中，表現(xiàn)出良好的調(diào)速性能和節(jié)能效果，并且控制操作安全可靠，還能夠根據(jù)用水量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)。各大水廠或供水企業(yè)需要根據(jù)具體區(qū)域的供水需求，積極應(yīng)用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)控制功能的優(yōu)化和完善，同時(shí)要做好變頻器的維護(hù)和保養(yǎng)，使得變頻技術(shù)能夠在供水行業(yè)發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。
