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變頻調(diào)速供水技術(shù)在自來水加壓供水中的節(jié)能性應(yīng)用

1、變頻調(diào)速供水基本工作原理

　　通過改變供給電動(dòng)機(jī)電源的頻率值達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，被我們稱之為變頻調(diào)速。

2、變頻調(diào)速供水技術(shù)的應(yīng)用

　　變頻器是將交流順變成直流，平滑濾波后再經(jīng)過逆變回路，將直流變成不同頻率的交流電，使電機(jī)獲得無級(jí)調(diào)速所需的電流、電壓和頻率。

　　通過流體力學(xué)的基本定律可知：泵類設(shè)備、風(fēng)機(jī)都屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。我們知道，在變頻器向下調(diào)速時(shí)，屬于恒轉(zhuǎn)矩特性。但是由于通用三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在其運(yùn)行頻率低于50Hz以下日寸，其額定輸出轉(zhuǎn)矩很難達(dá)到。而風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載在低速運(yùn)行時(shí)所要求的轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，這正好適應(yīng)了采用變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩下降的特點(diǎn)。

3、變頻調(diào)速供水的節(jié)能降耗作用

　　由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能的潛力非常大，利用變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電流小，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和無極調(diào)速，方便地進(jìn)行加減速控制，使電動(dòng)機(jī)獲得高性能，大幅度的節(jié)約電能，因而變頻器在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

　　由于恒速電動(dòng)機(jī)利用閥門調(diào)節(jié)供水量，揚(yáng)程特性不變，管組特性改變，大量的能量損失在閥門上。

　　變頻調(diào)速供水時(shí)的閥門為完全打開狀態(tài)，管組特性不變，揚(yáng)程特性隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速改變后泵的性能曲線將同時(shí)改變，而轉(zhuǎn)速將隨頻率Hz改變而改變。對(duì)循環(huán)水泵性能分析可知，水泵的揚(yáng)程、流量和軸功率均與水泵的葉輪轉(zhuǎn)速之間存在著一定的比例關(guān)系，即水泵流量與水泵轉(zhuǎn)速的一次方成正比。水泵的揚(yáng)程與電機(jī)轉(zhuǎn)速的二次方成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)速與水泵的軸功率的三次方成正比。即當(dāng)水泵的流量降低20%的時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)降低20%，水泵的電耗將降低50%；當(dāng)水泵的流量降低50%的時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速注降低50%，水泵的電耗降低87.5%。當(dāng)系統(tǒng)需要的流量降低時(shí)，通過降低轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地水泵的流量降低，水泵的軸功率降低，節(jié)約電能效果顯著。并且由于采用變速調(diào)節(jié)，采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)不必要的閥門壓頭損耗也避免孔使水泵在變頻速度的過程中始終處在高效區(qū)。而電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速過程中，由于電動(dòng)機(jī)電壓隨著轉(zhuǎn)速而變化，確保了電動(dòng)機(jī)在輕載時(shí)也能工作在高效區(qū)。

4、變頻恒壓供水技術(shù)

　　恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無極調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實(shí)際為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求。

　　4.1 變頻恒壓控制系統(tǒng)的工作原理

　　水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)交流量恒壓控制，變頻器接收控制器的信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行速度控制；控制器綜合給定信號(hào)后，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，向變頻器輸出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率指令；壓力傳感器檢測管網(wǎng)出水口壓力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破骺山邮盏哪M信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　4.2 帶PID回路調(diào)節(jié)器和PLc的控制方式

　　在該方式中，變頻器的作用是為電動(dòng)機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無極調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓可控。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓；壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值；壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)輸人可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸送給變頻器一個(gè)頻率控制信號(hào)。還有一種方法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)輸人PID回路調(diào)節(jié)器，由后者進(jìn)行運(yùn)算后，輸給變頻器一個(gè)頻率控制信號(hào)。

　　由于變頻器的頻率控制信號(hào)是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來講，既要有模擬量輸人接口，又要有模擬量輸出接口。而帶模擬量輸人/輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸人/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出端口另接一塊PWM調(diào)制版，將可編程控制器輸出數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣可編程控制器的成本沒有降低，還增加連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)帶開關(guān)量輸人/輸出的可編程控制器和一個(gè)PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸人/輸出的可編程控制器差不多，所以在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　4.3 新型變頻器調(diào)速供水設(shè)備

　　新的變頻器調(diào)速供水設(shè)備將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。因?yàn)镻ID運(yùn)算在變頻器內(nèi)，這就省去了對(duì)可編程控制器存儲(chǔ)容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，生產(chǎn)成本降低二生產(chǎn)效率大大提高孔又因?yàn)樽冾l器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)的不失真、準(zhǔn)確，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可進(jìn)行換算反饋信號(hào)，使系統(tǒng)的調(diào)試非常方便、簡單。

　　4.4 供水專用變頻器

　　供水專用變頻器是將普通變頻器和PLC控制器集成在一起，是集供水、管控一體化的系統(tǒng)，內(nèi)置供水專用PID調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便的組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號(hào)直接送人變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸人口，而壓力設(shè)定即可使用變頻器的鍵盤設(shè)定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送人。每日可設(shè)定多段壓力運(yùn)行，以適應(yīng)供水壓力的需要，也可設(shè)定日供水壓力。面板可以直接顯示壓力反饋值（Mpa）。

　　因此，變頻恒壓供水相關(guān)產(chǎn)品正向著全數(shù)字化微機(jī)控制、高可靠性、多品種系列化的方向發(fā)展。系列化、追求高度智能化、標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度、智能樓宇和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。調(diào)速恒壓技術(shù)在短短的幾年內(nèi)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程，多泵系統(tǒng)代替了早期的單泵調(diào)速恒壓。單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單可靠，但單泵電動(dòng)機(jī)深度調(diào)速造成電動(dòng)機(jī)、水泵運(yùn)行效率低，而多泵型產(chǎn)品的運(yùn)行效率高，投資更為節(jié)省，已發(fā)展成為主要產(chǎn)品。

5、效果

　?。?）給水泵采用變頻調(diào)速技術(shù)后，隨著給水泵轉(zhuǎn)速的下降，功耗也隨之降低，節(jié)電效果顯著。

　　（2）在低負(fù)荷時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速和出力隨之下降，從而減少了軸承磨損、發(fā)熱，延長了給水泵的使用壽命。

　?。?）給水泵的啟動(dòng)方式為變頻軟啟動(dòng)，有效地減少了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)大電流的沖擊，延長了電機(jī)的使用壽命。

　?。?）供水壓力穩(wěn)定，變頻系統(tǒng)能根據(jù)汽包水位的變化，調(diào)節(jié)給水泵的出水量，以保證母管水壓穩(wěn)定。

　?。?）設(shè)備的自動(dòng)化程度提高，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6、結(jié)語

　　采用交流電機(jī)變頻調(diào)速等高新技術(shù)是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要手段，是高供水質(zhì)量的根本，變頻調(diào)速供水技術(shù)的大力推六可以讓給水企業(yè)盡快優(yōu)化升級(jí)，降低生產(chǎn)成本提供技術(shù)手段。