论文部分内容阅读
摘?要 阐述了变频恒压供水的原理及系统结构，分析了变频供水设备的性能特点，用实例证明了变频恒压供水的经济性。
关键词 变频调速；恒压供水；节能
中图分类号 TM92 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)071-0186-01
随着生活水平的提高和现代工业的发展，加之高层建筑越来越多的走入寻常百姓家，人们对供水的质量提出了更高的要求。早期的水塔、气压罐、高位水箱等设备，容易形成二次污染，且自动化程度低，供水系统不能随负荷变化改变运行状态，远远不能满足现代人对水质、供水稳定性的要求。变频恒压供水以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在生活中得到很大的发展和推广。
1 变频调速的原理
根据电机原理，异步电动机的转速公式n=ns（1-s）可见，它的调速方式实际上有两类：一类是在电机中旋转磁场的同步速度ns恒定的情况下调节转差率s，包括调压调速、转子串电阻调速、斩波调速和滑差离合器调速等，都属于低效调速，另一类是调节电机旋转磁场的同步速度ns.，根据ns.=60f/p可知，通过改变磁极对数和频率可以实现调速，即变极调速和变频调速，都属于高效率的调速方式。
当异步电机的磁极对数p不变时，电机转子转速与定子电源频率f成正比，因而连续调节电源频率，就可以平滑地调节同步转速，从而调节转子转速。
异步电机采用变频调速时不但能无级调速，而且可根据负载特性的不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，使电机始终运行在高效区，并保证良好的运行特性。异步电机采用变频启动更能改善启动性能，降低启动电流，增加起动转矩。
2 变频恒压供水的系统构成
2.1 系统的硬件组成
图1所示为本单位二幢11层建筑6楼以上变频恒压供水系统框图。
从图中可以看出，系统硬件构成主要包括变频器VVVF、可编程控制器PLC（或PID调节器）、压力控制器（或压力变换器及远程压力表）及控制柜等组成。本例中，供水系统用一台变频器控制多台水泵联合协调工作。由于变频器及PLC具有良好的通信接口，可以方便地与其他系统或设备进行数据交换，可以通过PC机来改变存贮器中的控制程序，可以灵活地满足用户各种数据处理的要求，且随着PLC产品的系列化和模块化，通用性强，可代替性高，因而得到了广泛的推广和使用。
2.2 系统的控制原理
系统是以供水管网的供水压力作为控制对象而构成的闭环控制系统。控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象。设定的供水压力可以是个常数或时间分段函数，控制的目标就是使管网的出水压力在某一时间段上与设定值保持一致。
在系统运行过程中，如果实际运行压力低于设定值，通过安装在出水管网上的压力传感器，把压力信号转变为电流标准信号送入PLC的模拟输入口，经过PI调节后发出调节参数送入变频器，变频器从而决定输出频率，控制电机的转速，调节系统出水量，实现供水管网压力的恒定。
3 变频恒压供水的特点
采用变频器－PLC恒压供水，除了有效减少以往高位水箱等设备的二次污染、有效节约能源外，还有以下特点：
1）系统结构简单，操作方便。由于电子设备的集成化程度越来越高，各种配套方案灵活方便，自动化程度也显著提高。
2）系统稳定可靠。较之以往的继电器、接触器组合，变频恒压供水的器件数量大幅减少，大功率电子元器件的高稳定性为系统的稳定垫定了良好的基础。
3）消除了水锤效应。异步电动机在直接启动初期由于流量的巨大变化引起对管道的压强过高，甚至使管壁受力而产生噪音，像是一把锤子在敲击水管，人们称之为水锤现象。水锤效应对管网产生巨大的破坏性，甚至使管子破裂。采用变频恒压供水系统后，对过软启动延长启动时间，减少压力急骤变化而对管网产生的冲击，从而有效避免了水锤效应，延长了水泵的使用寿用。
4）系统的灵活适用。由于变频器及PLC的输入输出灵活，可方便写入各种数据及程序，对供水管网的压力设置可实现多时段，亦可将各时段的数据进行有效的输出便于分析，所以在民用、工业生产等各领域得到了广泛使用。
4 恒压供水系统的循环运行
本系统采用多台水泵供水，变频器可控制其顺序循环运行，并使每台水泵都实现变频软启动。
1）假设在运行始，用水量较小，仅M1处于变频运行中。当用水量开始增加，变频器的输出频率达到最高值50 Hz时，变频器控制M1切换到工频电网中，处于工频运行，变频启动M2，M2变频运行中，直到水压达到设定值为止。
2）同理，如在夜间，当用水量开始减少时，此时水压开始升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际压力仍高于设定值，并且满足减少水泵的其他条件时，系统将停止原本处于工频运行的那台水泵，实行单台水泵变频运行，直到水压达到给定值。
3）从以上的用水高峰及低谷期间，水泵的加泵和减泵中，可以发现，所有水泵没有工频泵行变频泵之分，保证每台泵均能实行变频启动，整个系统处于变频运行中。
4）系统运行在手动模式下时，自动模式无效。手动模式通常在自动模式出现故障时作为应急使用，用户可根据需要，通过PLC的输入开关输入信号，从而实现手动模式和自动模式的
切换。
5 变频恒压供水系统的其他功能
本系统采用ABB的变频器，PLC为的，水泵为，电机为，通过对数据的设定，还实现了以下功能：
1）对电气故障的监测和诊断功能。对电机的过流、欠压、过载、缺相等故障均能进行保护、显示并声光报警。设备具有完善的电气安全性能和电机故障自跨越功能。
2）低水位报警功能。由于水泵不能缺水运行，将低水位报警信号引入到控制中，在低水位状态中，无论是自动还是手动状态，都能实现水泵的无条件停止，从而保障水泵的安全运行。
3）实现定时切换泵功能。除了能根据负荷变化实现加减泵的功能外，还可以通过设置，当一台泵长期运行达到设定时长后，系统能自动按顺序将后一台处于休息的泵实现激活，使之投入变频工作状态，并停止原变频泵的工作。
6 结束语
本文首先分析了变频恒压供水系统的使用，提高了供水质量，减少了对管网和电网的冲击，具有节约能源、结构简单、可编程、稳定可靠等特点，延长了电机、水泵的使用寿命，可根据要求，灵活设置供水压力和时间段，可自动监测故障并诊断报警，实现无人值守。可广泛运用于生活用水、生产用水，无论在热水还是喷淋、灌溉等各行业领域都具有广泛的市场应用前景。
参考文献
[1]范洪艳,陈凤,李壮.小区变频恒压供水控制系统[J].电机技术,2011,2.
关键词 变频调速；恒压供水；节能
中图分类号 TM92 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)071-0186-01
随着生活水平的提高和现代工业的发展，加之高层建筑越来越多的走入寻常百姓家，人们对供水的质量提出了更高的要求。早期的水塔、气压罐、高位水箱等设备，容易形成二次污染，且自动化程度低，供水系统不能随负荷变化改变运行状态，远远不能满足现代人对水质、供水稳定性的要求。变频恒压供水以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在生活中得到很大的发展和推广。
1 变频调速的原理
根据电机原理，异步电动机的转速公式n=ns（1-s）可见，它的调速方式实际上有两类：一类是在电机中旋转磁场的同步速度ns恒定的情况下调节转差率s，包括调压调速、转子串电阻调速、斩波调速和滑差离合器调速等，都属于低效调速，另一类是调节电机旋转磁场的同步速度ns.，根据ns.=60f/p可知，通过改变磁极对数和频率可以实现调速，即变极调速和变频调速，都属于高效率的调速方式。
当异步电机的磁极对数p不变时，电机转子转速与定子电源频率f成正比，因而连续调节电源频率，就可以平滑地调节同步转速，从而调节转子转速。
异步电机采用变频调速时不但能无级调速，而且可根据负载特性的不同，通过适当调节电压与频率之间的关系，使电机始终运行在高效区，并保证良好的运行特性。异步电机采用变频启动更能改善启动性能，降低启动电流，增加起动转矩。
2 变频恒压供水的系统构成
2.1 系统的硬件组成
图1所示为本单位二幢11层建筑6楼以上变频恒压供水系统框图。
从图中可以看出，系统硬件构成主要包括变频器VVVF、可编程控制器PLC（或PID调节器）、压力控制器（或压力变换器及远程压力表）及控制柜等组成。本例中，供水系统用一台变频器控制多台水泵联合协调工作。由于变频器及PLC具有良好的通信接口，可以方便地与其他系统或设备进行数据交换，可以通过PC机来改变存贮器中的控制程序，可以灵活地满足用户各种数据处理的要求，且随着PLC产品的系列化和模块化，通用性强，可代替性高，因而得到了广泛的推广和使用。
2.2 系统的控制原理
系统是以供水管网的供水压力作为控制对象而构成的闭环控制系统。控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象。设定的供水压力可以是个常数或时间分段函数，控制的目标就是使管网的出水压力在某一时间段上与设定值保持一致。
在系统运行过程中，如果实际运行压力低于设定值，通过安装在出水管网上的压力传感器，把压力信号转变为电流标准信号送入PLC的模拟输入口，经过PI调节后发出调节参数送入变频器，变频器从而决定输出频率，控制电机的转速，调节系统出水量，实现供水管网压力的恒定。
3 变频恒压供水的特点
采用变频器－PLC恒压供水，除了有效减少以往高位水箱等设备的二次污染、有效节约能源外，还有以下特点：
1）系统结构简单，操作方便。由于电子设备的集成化程度越来越高，各种配套方案灵活方便，自动化程度也显著提高。
2）系统稳定可靠。较之以往的继电器、接触器组合，变频恒压供水的器件数量大幅减少，大功率电子元器件的高稳定性为系统的稳定垫定了良好的基础。
3）消除了水锤效应。异步电动机在直接启动初期由于流量的巨大变化引起对管道的压强过高，甚至使管壁受力而产生噪音，像是一把锤子在敲击水管，人们称之为水锤现象。水锤效应对管网产生巨大的破坏性，甚至使管子破裂。采用变频恒压供水系统后，对过软启动延长启动时间，减少压力急骤变化而对管网产生的冲击，从而有效避免了水锤效应，延长了水泵的使用寿用。
4）系统的灵活适用。由于变频器及PLC的输入输出灵活，可方便写入各种数据及程序，对供水管网的压力设置可实现多时段，亦可将各时段的数据进行有效的输出便于分析，所以在民用、工业生产等各领域得到了广泛使用。
4 恒压供水系统的循环运行
本系统采用多台水泵供水，变频器可控制其顺序循环运行，并使每台水泵都实现变频软启动。
1）假设在运行始，用水量较小，仅M1处于变频运行中。当用水量开始增加，变频器的输出频率达到最高值50 Hz时，变频器控制M1切换到工频电网中，处于工频运行，变频启动M2，M2变频运行中，直到水压达到设定值为止。
2）同理，如在夜间，当用水量开始减少时，此时水压开始升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际压力仍高于设定值，并且满足减少水泵的其他条件时，系统将停止原本处于工频运行的那台水泵，实行单台水泵变频运行，直到水压达到给定值。
3）从以上的用水高峰及低谷期间，水泵的加泵和减泵中，可以发现，所有水泵没有工频泵行变频泵之分，保证每台泵均能实行变频启动，整个系统处于变频运行中。
4）系统运行在手动模式下时，自动模式无效。手动模式通常在自动模式出现故障时作为应急使用，用户可根据需要，通过PLC的输入开关输入信号，从而实现手动模式和自动模式的
切换。
5 变频恒压供水系统的其他功能
本系统采用ABB的变频器，PLC为的，水泵为，电机为，通过对数据的设定，还实现了以下功能：
1）对电气故障的监测和诊断功能。对电机的过流、欠压、过载、缺相等故障均能进行保护、显示并声光报警。设备具有完善的电气安全性能和电机故障自跨越功能。
2）低水位报警功能。由于水泵不能缺水运行，将低水位报警信号引入到控制中，在低水位状态中，无论是自动还是手动状态，都能实现水泵的无条件停止，从而保障水泵的安全运行。
3）实现定时切换泵功能。除了能根据负荷变化实现加减泵的功能外，还可以通过设置，当一台泵长期运行达到设定时长后，系统能自动按顺序将后一台处于休息的泵实现激活，使之投入变频工作状态，并停止原变频泵的工作。
6 结束语
本文首先分析了变频恒压供水系统的使用，提高了供水质量，减少了对管网和电网的冲击，具有节约能源、结构简单、可编程、稳定可靠等特点，延长了电机、水泵的使用寿命，可根据要求，灵活设置供水压力和时间段，可自动监测故障并诊断报警，实现无人值守。可广泛运用于生活用水、生产用水，无论在热水还是喷淋、灌溉等各行业领域都具有广泛的市场应用前景。
参考文献
[1]范洪艳,陈凤,李壮.小区变频恒压供水控制系统[J].电机技术,2011,2.