變頻器恒壓供水系統(tǒng)在生活供水方面的應(yīng)用
變頻器恒壓供水系統(tǒng)在生活供水方面的應(yīng)用
一、變頻器恒壓供水系統(tǒng)概述
交流電機變頻調(diào)速技術(shù)是一項業(yè)已廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，戶變頻器的性能有了較大提高，它可以實現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。
長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在小區(qū)供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用較不利用水點的水壓要求來確定相應(yīng)的揚程設(shè)計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上應(yīng)用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。
變頻器恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時，若供水壓力不足或或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。。
隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，達到高，效，率的運行目的。
二、變頻器恒壓供水系統(tǒng)的變頻應(yīng)用方式
1、變頻器恒壓供水系統(tǒng)組成
變頻器恒壓供水系統(tǒng)通常是由水源、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網(wǎng)組成。工作流程是利用設(shè)置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)因用水量的變化引起的水壓變化，及時將信號（4-20mA或0-10V）反饋PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器對比設(shè)定控制壓力進行運算后給出相應(yīng)的變頻指令，改變水泵的運行或轉(zhuǎn)速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。
2、變頻器恒壓供水系統(tǒng)的參數(shù)選取
（1）、合理選取壓力控制參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水。這個目的的實現(xiàn)關(guān)鍵就在于壓力控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點的選擇有兩個：一個就是管網(wǎng)較不利點壓力恒壓控制，另一個就是泵出口壓力恒壓控制。選擇管網(wǎng)較不利點的較小水頭為壓力控制參數(shù)，形成閉環(huán)壓力自控系統(tǒng)，使得水泵的轉(zhuǎn)速與PID調(diào)節(jié)器設(shè)定壓力相匹配，可以達到較大節(jié)能效果，而且實現(xiàn)了恒壓供水的目的。
（2）、變頻器在投入運行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達到較好運行狀態(tài)的，必，要手段。變頻器根據(jù)負載的轉(zhuǎn)動慣量的大小，在啟動和停止電機時所需的時間不相同，設(shè)定時間過短會導(dǎo)致變頻器在加速時過電流、在減速時過電壓保護；設(shè)定時間過長會導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運行時使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處在短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。
為了變頻器不跳閘保護，現(xiàn)場使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時間的設(shè)置過長，它所帶來的問題很容易被設(shè)備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達不到較好運行狀態(tài)。所以現(xiàn)場使用時要根據(jù)所驅(qū)動的負載性質(zhì)不同，測試出負載的允許較短加減速時間，進行設(shè)定。對于水泵電機，加減速時間的選擇在0.2-20秒之間。
通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻跳速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號，通過PID運算自動調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動機轉(zhuǎn)速， 終達到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復(fù)雜，是未來的發(fā)展方向，下面講到的原理都是一變頻器拖多馬達的系統(tǒng)。
三、變頻器恒壓供水系統(tǒng)控制原理
1、交流電機變頻調(diào)速原理
交流電機轉(zhuǎn)速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s 為轉(zhuǎn)差率，p為極對數(shù)。
電機選定之后s 、p則為定值，電機轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現(xiàn)對電機變頻無級調(diào)速。
２、根據(jù)離心泵的負載工作原理可知：
流量與轉(zhuǎn)速成正比：Ｑ∝Ｎ
轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２
功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３
而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術(shù)供水時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：
Ｐ變＝Ｎ３Ｐ額＝Ｑ３Ｐ額
采用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額
其中，Ｐ為功率
Ｎ為轉(zhuǎn)速
Ｑ為流量
例如設(shè)定當(dāng)前流量為水泵額定流量的６０％，則采用變頻調(diào)速時Ｐ變＝Ｑ３Ｐ額＝０.２１６Ｐ額，而采用閥門控制時Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額＝０.７６Ｐ額，節(jié)電＝（Ｐ閥-Ｐ變）／Ｐ閥*99.999％＝７１.６％。
流量% 100 90 80 70 60 50
節(jié)電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1
由此可見從理論計算結(jié)果可以看到節(jié)能效果非常顯著，而且在實際運行中小區(qū)變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動控制恒壓、無二次污染等明顯優(yōu)勢。
而且新型的變頻器恒壓供水系統(tǒng)能自動地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時，系統(tǒng)自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節(jié)能。
根據(jù)反饋原理：要想維持一個物理量不變或基本不變，就應(yīng)該引這個物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就 須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。但被控制的系統(tǒng)特點是非線性、大慣性的系統(tǒng)，現(xiàn)在控制和PID相結(jié)合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度；在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態(tài)精度。這通過PLC加智能儀表可時現(xiàn)該算法，同時對PLC的編程來時現(xiàn)泵的工頻與變頻之間的切換。實踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價也不高。
要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，管網(wǎng)的充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，不易直接采用PID調(diào)節(jié)器進行控制，而采用PLC參與控制的方式來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。
四、變頻器恒壓供水系統(tǒng)控制原理
用變頻調(diào)速來實現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實現(xiàn)恒壓供水相比，節(jié)能效果十分顯著（可根據(jù)具體情況計算出來）。其優(yōu)點是：
1、 起動平衡，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；
2、 由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；
3、 可以消除起動和停機時的水錘效應(yīng)；
一般地說，當(dāng)由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當(dāng)一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應(yīng)等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時，可考慮適當(dāng)減小變頻器的容量，但應(yīng)注意留有足夠的容量。
雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當(dāng)用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導(dǎo)致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應(yīng)采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。
在主要功能預(yù)置方面，較高頻率應(yīng)以電動機的額定頻率為變頻器的較高工作頻率。升、降速時間在采用PID調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時間應(yīng)盡量設(shè)定得短一些，以免影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動態(tài)響應(yīng)過程。如變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能時，只要在預(yù)置時設(shè)定PID功能有效，則所設(shè)定的升速和降速時間將自動失效。
五、變頻器恒壓供水系統(tǒng)特點
1、 節(jié)電：變頻恒壓供水系統(tǒng)的較顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實現(xiàn)較大限度地節(jié)能運行；
2、 衛(wèi)生節(jié)水：根據(jù)實際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象；系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
3、 運行可靠：變頻器恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況由變頻器實現(xiàn)泵的軟起動，使水泵實現(xiàn)由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。
4、 控制靈活：分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。
5、 自我保護功能完善：新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護
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