(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 山東 青島 266590)

變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及其理論分析

喬羽曲彩梅曹瑞峰高鵬

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院山東青島266590)

變頻恒壓供水系統(tǒng)有高效節(jié)能，恒壓供水，安全衛(wèi)生，自動(dòng)運(yùn)行，管理簡便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)在的國民需求。變頻恒壓供水系統(tǒng)根據(jù)用水量的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，在水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速是現(xiàn)在優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式(如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等)的技術(shù)，是當(dāng)今國際上一項(xiàng)效益最高、性能最佳、應(yīng)用廣泛、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。

變頻恒壓；調(diào)速；技術(shù)

一、變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r

變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)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(dòng)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的不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部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(jì)時(shí)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(dòng)多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹弗斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)先以及顯著地節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)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，像瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件繼承在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)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(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(jī)的供水系統(tǒng)。但是也有其缺點(diǎn)，就是輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此適用范圍受到限制。

目前國內(nèi)有不少公司都在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外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，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用PLC及相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)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(現(xiàn)已改名艾默生)和成都希望集團(tuán)(森蘭牌變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器(5.5Kw-22kW)，無需外接PLC盒PID調(diào)節(jié)器，坑完成最多四臺水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)(丹麥丹弗斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)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。

可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的，因此，有待于進(jìn)一步淡淡的研究改善，使其能更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。

二、變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析

變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。

在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動(dòng)能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。

改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。

三、結(jié)束語

以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，組合靈活，變成簡單，維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對于調(diào)高企業(yè)效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]廖常初.PLC編程及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

[2]吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

[3]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

[4]李華.變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，1996

喬羽(1989-)，男，漢族，碩士，山東科技大學(xué)，研究方向機(jī)械工程。