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浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)（翻譯資料）
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恒壓供水的控制與節(jié)能的探索
摘要:在簡要分析國內(nèi)外給水系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,介紹了系統(tǒng)的組成,提出了以變頻調(diào)速為核心所構(gòu)成的全自動給水系統(tǒng)控制方式,并以實例詳細分析了該系統(tǒng)的組成、工作原理以及在控制與節(jié)能方面所表現(xiàn)出的優(yōu)越性.文中根據(jù)作者的實際使用經(jīng)驗,簡要闡述了該系統(tǒng)在應(yīng)用中應(yīng)注意的一些問題。
關(guān)鍵詞: 變頻調(diào)速;恒壓供水。PID調(diào)節(jié)器中圖法? ?
一、引 言
目前,我國居民小區(qū)與高層建筑的生活供水,普遍采用工頻方式.它存在著能耗大,噪音高,水源存在二次污染等諸多問題.而用變頻調(diào)速控制的給水裝置是一種較為理想的模式.進入90年代中后期,隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,基于該項技術(shù)的全自動恒壓給水方式已在發(fā)達國家得到廣泛的應(yīng)用,且日趨成熟.近幾年來,作者在變頻調(diào)速給水控制系統(tǒng)的設(shè)計與施工方面做了些實際工作,積累了一些經(jīng)驗,并形成了對于一些問題的看法.水泵節(jié)能原理變頻調(diào)速系統(tǒng)之所以得到推廣,一個很重要的原因就是它有較好的節(jié)能效果.
一臺水泵的實際揚程與電源頻率的平方成正比.因而通過變頻器改變水泵電機的供電頻率,就可控制水泵的供水壓力.恒壓供水自動控制變頻恒壓供水原理框圖如圖1所示. 為給定的壓力值, 為壓力傳感器從管道上所測得的實際壓力值,PID調(diào)節(jié)器通過對兩者的誤差運算,并經(jīng)過控制變頻器的頻率輸出,從而使管道的壓力始終保持在設(shè)定值上。
該系統(tǒng)能自動檢測用戶的瞬時水壓,據(jù)此調(diào)節(jié)給水量的多少及電機的運行狀況.還可根據(jù)所需的給水壓力設(shè)定控制壓力值,讓設(shè)備始終處于恒壓狀態(tài),從負載電機的特性可知,所配電機的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比,即 .例如,當(dāng)變頻器輸出頻率為35Hz(最高設(shè)定為50Hz),也就是實際轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的70%時,調(diào)速器的用電量為0.343,約占額定的35%.也就是說,水泵總處于恒壓變流量匹配方式的工作狀態(tài),從而消除了超壓和回流的無功損耗.恒速與變頻調(diào)速軸功率變化曲線如圖2所示,比較可知,變頻調(diào)速方式節(jié)能效果最為明顯。
二、實例分析：
恒壓供水是通過變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)水的流量從而達到恒壓的目的,它最終控制的目標是水壓.控制對象具有非線性、滯后特性.PID調(diào)節(jié)器性能的好壞,在很大程度上決定了恒壓供水的質(zhì)量.當(dāng)系統(tǒng)在啟動與停止階段,或壓力設(shè)定值大幅度變化時,由于在短時間內(nèi)存在很大的偏差,因而無論PID調(diào)節(jié)器的控制算法采用增量式還是位置式,其積分項將取蓄水池、水泵組(1M,2M)及相關(guān)輔配件構(gòu)成.本系統(tǒng)的核心是變頻調(diào)速控制柜,它通過壓力傳感器對管網(wǎng)壓力進行實時監(jiān)測,并轉(zhuǎn)換為電信號提供給變頻器進行運算,通過變頻器、可編程控制器PLC與繼電器陣列的共同控制,構(gòu)成了完善的全自動變頻調(diào)速給水系統(tǒng)。
變頻器的品種繁多,如三菱、富士、三肯及ABB等型號.一般常選用泵類、風(fēng)機專用系列.以三菱FR-A140E為例,它除了一般品牌所具有的功能外,還有如下特點:內(nèi)部采用IPM智能功率模塊,使電機的噪音減至最低;變頻器與工頻電源之間可進行切換,用戶只需通過PLC輸入啟動、停止及自動切換指令,就可方便地通過接觸器的互鎖動作來切換不同的水泵,而不需要像以往那樣自行設(shè)計繁瑣的控制程序,這是該變頻器所特有的功能之一;內(nèi)置的瞬時停電再啟動與再試啟動功能,在無人看管的情況下,即使變頻器停機后也可自行啟動,完全實現(xiàn)了以自動化方式的運行.本系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)器可用變頻器內(nèi)置式值很大,這就會存在偏差調(diào)節(jié).在消除偏差調(diào)節(jié)的過程中,必然導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)和長時間的振蕩,同時還會產(chǎn)生嚴重的積分飽和現(xiàn)象,從而影響了設(shè)備的正常運行.要把這種影響降至最低,就應(yīng)在控制算法中采用積分分離的PID控制方式,以達到預(yù)期效果.經(jīng)這樣處理后,可大大縮短系統(tǒng)達到穩(wěn)定的過渡過程時間.系統(tǒng)中配備兩臺11kW水泵(1M為主泵,2M為備用泵)供600余戶居民用水.兩臺泵同時工作時提供最大高峰流量,單臺則滿足小流量和夜間供水.另外,所有水泵均能以變頻方式運行,即可以循環(huán)方式軟啟動,這樣能減小對電網(wǎng)和管網(wǎng)的沖擊.值得注意的是,兩泵在變頻與工頻之間切換時,僅有程序互鎖是不夠的,輸出必須采用機械聯(lián)鎖接觸器,這樣可避免兩個接觸器瞬間同時閉合的情況,以免造成電源的瞬間短路。
變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路原理圖,壓力傳感器P實時監(jiān)測水壓信號的大小,信號經(jīng)PID處理,輸入至變頻器.小流量時,水泵電機1M運轉(zhuǎn)(1KM1吸合),并通過反饋通道不斷調(diào)整其轉(zhuǎn)速,以保持壓力的恒定;在大流量的情況下,經(jīng)壓力比較電路通過PLC發(fā)出“變頻/工頻切換”與“運行聯(lián)鎖”指令,機械聯(lián)鎖接觸器(2KM(2KM1+2KM2)中的2KM2、接觸器3KM得電.這時,電機2M以變頻方式啟動,1M則切換至工頻全速運行.這樣,本系統(tǒng)能始終將用水量維持在一個恒定的壓力上.前述小區(qū)建成初期,供水采用工頻方式,因能耗大,可靠性差,住戶反映強烈.改用變頻供水后,裝機總?cè)萘枯^原設(shè)備減小25%,實際綜合節(jié)電指標接近30%,效果顯著。
三、應(yīng)用中的幾個問題
在大多數(shù)情況下,現(xiàn)場的使用環(huán)境較為惡劣.變頻器雖然本身具有很強的保護功能,如欠壓、過壓、過流、電流限幅選擇整定、過載、過熱、缺相、短路及斷水保護功能等,但仍應(yīng)做到防患于未然.經(jīng)使用發(fā)現(xiàn),三菱、富士兩種品牌,由于在設(shè)計和制造中充分考慮了各種惡劣的運行環(huán)境.在同樣條件下的可靠性和使用壽命較某些品牌高.湖北鄂西山區(qū)某小城市,平均海拔1200m,常年大部分時間濕度偏高(80%左右),二氧化硫污染嚴重,某廠生產(chǎn)的一套變頻供水設(shè)備,因未考慮上述因素,以至于不到一年的時間,設(shè)備的有關(guān)部件嚴重腐蝕.而我們在同一地區(qū)設(shè)計、安裝的同類產(chǎn)品,因充分考慮了各種不同的情況,在設(shè)備與元件的選型上,采用了船用標準.經(jīng)兩年多的使用,運行良好,經(jīng)受了各種嚴峻的考驗.在實際使用中發(fā)現(xiàn),變頻器本身就是一個強大的干擾發(fā)生源,往往會影響設(shè)備的正常運行.特別是水泵低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時,變頻器上顯示的頻率與實際運行頻率不符.干擾的傳播途徑一般有兩種:線路串?dāng)_和空間輻射干擾.根據(jù)現(xiàn)場的實際情況可采取相應(yīng)的措施予以解決.例如,對可編程控制器的電源端增加濾波與吸收回路,PID調(diào)節(jié)器單元的輸入輸出一定要有可靠屏蔽,將變頻器、電機上的接地端子牢固地與接地樁子相連,控制線與動力線要留有一定的距離,以增強抗電磁干擾的能力.只有這樣,才能使系統(tǒng)在高溫、潮濕、霉菌、強干擾等嚴酷的條件下保持長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
四、結(jié)束語
以變頻調(diào)速為核心的供水方式,節(jié)水、節(jié)電效果明顯,可廣泛適用于20～10000戶居民生活區(qū)、高層建筑、賓館、飯店、消防或小區(qū)加壓供水,也是中小型自來水廠給水的理想設(shè)施.其供水質(zhì)量高,經(jīng)濟效益明顯,社會效益巨大,隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,它一定會在我國逐步得到應(yīng)用與推廣。
五、參考文獻
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給排水自動化工程編寫組.給排水自動化工程.北京:水利電力出版社,1997.301～312
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