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變頻器在工廠高樓供水系統(tǒng)中的典型應用

1 引言

      工廠高樓供水系統(tǒng)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(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。工廠高樓供水系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)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(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。

      隨著電力電子技術的發(fā)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(fā)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(fā)展。作為應用現(xiàn)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(fā)創(chuàng)新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發(fā)生一場巨大的技術革命。目前自動恒壓工廠高樓供水系統(tǒng)應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統(tǒng)的控制裝置采用plc控制器，因plc不僅可實現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字pid調節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)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(tǒng)具有標準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網，實現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調度、管理、監(jiān)控及經濟運行的手段。

2 工廠高樓供水系統(tǒng)組成及工作原理

      一般供水系統(tǒng)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(jié)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(xié)調工作以滿足供水需要。

      該工廠高樓供水系統(tǒng)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(xiàn)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(tài)，隨著壓力會自動調節(jié)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(tài)，并給plc發(fā)出信號，繼而變頻啟動3#泵30kw，此時1#，2#泵工作在工頻狀態(tài)，3#泵工作在變頻狀態(tài)。由于3#泵的自動調節(jié)功能，從而保證系統(tǒng)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(tǒng)組成簡單，系統(tǒng)成本低，可靠性高。

3 工廠高樓供水系統(tǒng)功能

      該工廠高樓供水系統(tǒng)選用ABB變頻器。該系統(tǒng)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(jù)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(shù)。

（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(jù)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?yōu)楸?→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(jié)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(shù)值，并通過plc計算何以需切換泵的操作完成系統(tǒng)控制，系統(tǒng)參數(shù)在實際運行中調整，使系統(tǒng)控制響應趨于完整。

3.3“休眠”功能

      系統(tǒng)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(jié)能，該系統(tǒng)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(tài))。當水壓繼續(xù)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(jié)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(shù)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(xù)工作，當td＞tn時變頻器將進入休眠狀態(tài)?！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(fā)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(tǒng)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(tǒng)進行通訊，利用計算機同時可以監(jiān)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(shù)。

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

4 工廠高樓供水系統(tǒng)的節(jié)能分析

      節(jié)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(tǒng)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(jié)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(tài)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(jié)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(jié)能計算時比用閥的調節(jié)節(jié)能為：648000-475200 +79488＝280800kwh；按每度電0.4元計算，每年可節(jié)省電費：280800×0.4＝112320元?？梢娒磕昕晒?jié)省電費約10萬元左右。

5 結束語

（1）工廠高樓供水系統(tǒng)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(jié)水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節(jié)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(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。

(3)因實現(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。

(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(tǒng)的喘振。

(5)由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經濟效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)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。