硬件設(shè)計培訓(xùn)專家淺談變頻器在恒壓供水中的應(yīng)用

1、淺談變頻器在恒壓供水中的應(yīng)用概述變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)水壓恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運行的情況，因而投資成本高。1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供

2、水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通 過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的

3、動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且?guī)ж?fù)載的能力也有一定的局限性。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)

4、節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機(jī)起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管進(jìn)口壓力保持恒定為條件。二、變頻器恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計2.1.變頻器選型1、采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。2、變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法。3、 變頻器

5、與負(fù)載的匹配問題；1）電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。2）電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。3）轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時有可能發(fā)生。4、在使用變頻器驅(qū)動高速電機(jī)時，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。5、變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。6、

6、對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。綜合以上考慮，變頻器ABB ACS510 西門子MM430 三晶S系列都是很好的選擇，運行的都很穩(wěn)定，且ABB ACS510系列變頻器能達(dá)1拖6個水泵，變頻器有輔助DC24V電源，可以供壓力變送器，是很好的一個選擇 2.2.變頻器的結(jié)構(gòu)變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進(jìn)行開關(guān).變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置.使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào).用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù).使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào).變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中.變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力

7、傳動技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應(yīng)用于冶金、紡織、印染、煙機(jī)生產(chǎn)線及樓宇、供水等領(lǐng)域。一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。1. 整流電路整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨的一塊整流模塊.2. 平波電路平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動采用電感

8、和電容吸收脈動電壓(電流)，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。3. 控制電路現(xiàn)在變頻調(diào)速器基本系用16位、32位單片機(jī)或DSP為控制核心，從而實現(xiàn)全數(shù)字化控制。變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。提供控制信號的回路稱為主控制電路，控制電路由以下電路構(gòu)成:頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”。運算電路的控制信號送至“驅(qū)動電路”以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉(zhuǎn)拒控制、PID或其它方式4 逆變電路逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以

9、所確定的時間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。從而可以在輸出端U、V、W三相上得到相位互差120°電角度的三相交流電壓。2.3電路設(shè)計與參數(shù)設(shè)置 以ABB ACS510系列變頻器為列：一拖三水泵，循環(huán)軟啟動具體的接線圖與參數(shù)的設(shè)置，壓力變送器為2限制，0-1.6公斤 設(shè)定壓力為0.8公斤，具備自動休眠自動喚醒等功能 電路圖的設(shè)計 1）主回路控制回路3)保護(hù)回路 4）參數(shù)設(shè)置9901=19902=151001=01002=61003=11102=71106=191401=311601=04010=14011=50% 4022=74023=204024=104025=2%4026=1

10、04027=04019=160%8110=508111=508112=208113=208114=208115=108116=108117=28127=38109=50說明：壓力設(shè)置4011=50% 為8公斤壓力 暫停（睡眠與蘇醒）功能在實際生產(chǎn)過程中有時用水量會很小甚至用水量為零，使變頻器一直處于低速運轉(zhuǎn)既浪費了能源也對設(shè)備會造成一定程度的壽命損失，因此在這種情況下需要讓變頻器休眠，直到壓力下降到一定程度時才允許變頻啟動。 睡眠功能 當(dāng)變頻器的工作頻率已經(jīng)降至下限頻率，而壓力仍偏高時，水泵應(yīng)暫停工作（使變頻器處于睡眠狀態(tài)）。以ABB的ACS510系列變頻器為例，當(dāng)壓力傳感器的量程為1MPa，

11、而所要求的供水壓力為0.4MPa時，則目標(biāo)值為40%，“睡眠值”可設(shè)定為41%45%（相當(dāng)于壓力的上限，即4023的設(shè)定值）。 蘇醒功能 當(dāng)水管中的壓力小于某一下限值時，應(yīng)使系統(tǒng)中止睡眠而重新開始工作（即中止暫?；蚍Q之為“蘇醒”），蘇醒值可設(shè)定為15%19%。三 、變頻器恒壓供水的特點(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。(2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因

12、此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性。(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。 (5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的 狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。(6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。 (7)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。 4 、總結(jié)隨著科技的進(jìn)步，變頻器的功能將會越來越強(qiáng)大，應(yīng)用范