变频器在工厂高楼供水系统中的典型应用

 

1 引言

      工厂高楼供水系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（plc）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。工厂高楼供水系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入cpu运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

      随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压工厂高楼供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用plc控制器，因plc不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字pid调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的crt画面显示、故障报警及打印报表等功能。自动恒压工厂高楼供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。

 

2 工厂高楼供水系统组成及工作原理

      一般供水系统三台泵组成，每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵为一台小泵两台大泵组成，小泵为15kw大泵为30kw，三台泵的协调工作以满足供水需要。

 

      该工厂高楼供水系统由一台plc和两台变频器、两个压力传感器、控制柜及相关设备组成。利用一台变频器可以控制两台30kw水泵的运转，改造后，1#泵15kw始终处于工频运转，两台30kw水泵由变频器的控制实现变工况运转。

      1#泵工频运转一般不能满足最小用水量，因此供水时首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在变频启动状态，随着压力会自动调节频率的高低以保持压力的恒定，在用水量不大时，2#泵和1号泵同时工作可以满足要求，如果用水量增大，2#泵会自动切换到工频状态，并给plc发出信号，继而变频启动3#泵30kw，此时1#，2#泵工作在工频状态，3#泵工作在变频状态。由于3#泵的自动调节功能，从而保证系统的恒压。一般而言，三台泵同时投入是绝对能满足要求的。

如果3#泵工频运转压力不能满足要求的话，则该变频器会自动切除，退出工作，使3#泵处于工频。该系统组成简单，系统成本低，可靠性高。

 

3 工厂高楼供水系统功能

      该工厂高楼供水系统选用ABB变频器。该系统中具有以下功能。

3.1 自动切换变频/工频运行功能

变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：

（1）方式0：基本工作方式。变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率，控制其他辅助泵启停。即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵。由此控制增减工频运行泵的台数。

（2）方式1：交替方式。变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，使辅助泵工频运行，此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1→泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2→泵1。

（3）方式2：直接方式。当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。

3.2 pid的调节功能

      由压力传感器反馈的水压信号(4-20ma或-5v)直接送入plc的a/d口(可以通过手持编程器)，设定给定压力值，pid参数值，并通过plc计算何以需切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。

3.3“休眠”功能

      系统运行时经常会遇到用水量较小或不用水(如夜晚)情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止(处于休眠状态)。当水压继续升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2#泵或3#泵，当频率到达一定值后将启动1#泵调节2#或3#泵的转速。“休眠值”变频器输出的下限频率pr507设置。“休眠确认时间”用参数pr506设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间如小于休眠时间td时，即td＜tn时变频器继续工作，当td＞tn时变频器将进入休眠状态。“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值时由plc发出指令唤醒变频器工作。经测试“休眠值”为10hz；“休眠确认时间”td:20s；“唤醒值”70%。

3.4 通讯功能

      该工厂高楼供水系统具有计算机的通讯功能，plc变频器均提供有rs232或485接口plc可选用西门子的s7-200计算机可以与一套或多套系统进行通讯，利用计算机同时可以监测：电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频器的各类参数。

此外该系统还具有手动/自动操作，故障报警，运行状态，电流，电压、频率状态显示缺水保护等功能。

 

4 工厂高楼供水系统的节能分析

      节能的功率可用下式表示：δp=p(0.4+0.6x-x3) 其中x=q/q0＝n/n0；q为实时水量；q0为满负荷的水量；p为满负荷的功率；n0为额定功率；n为实时功率。这里通过运行观察，统计出三台泵一天之内的运行时间为：1#泵24小时；2#泵大致运行19小时；3#泵仅运行13小时。如果按360天计算利用阀门来调节功率为：(30×2＋15）×24×360＝648000kwh；利用停止泵运转方式为：［（15×24）＋（30×10）＋（30×13）］×360＝378000kw；利用变频工作时：3#泵始终处在状态为13小时；2#泵变频工作为7小时(3#泵不工作，2#泵工作时间)；如果水量调到80%时计算两个泵节电量为：p×h＝30×(0.4+0.6×0.8-0.83)×(13＋7)×360＝10800kwh；这样与第二项计算与变频节能计算时比用阀的调节节能为：648000-475200 +79488＝280800kwh；按每度电0.4元计算，每年可节省电费：280800×0.4＝112320元。可见每年可节省电费约10万元左右。

 

5 结束语

（1）工厂高楼供水系统恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。

（2）由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

(3)因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

(4)水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。

(5)由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。