淺談變頻技術在供水系統中的應用

劉先念

【摘 要】隨著電力電子技術、自動化控制技術的發展，變頻器得到開發和應用?；谧冾l器的變頻技術具有更加完善的控制功能和節能效果，在供水系統中具有良好的應用價值。論文簡單分析了變頻器的基本結構以及變頻技術特點，之后對變頻技術在供水系統中的應用情況進行了分析，最后總結了變頻技術的應用效益，以供參考。

【Abstract】With the development of power electronic technology and automatic control technology， the frequency conversion technology has been developed and applied. The frequency conversion technology based on inverter has better control function and energy saving effect， has good application value in water supply system. This paper analyzes the basic structure of frequency converter and the characteristics of frequency conversion technology， then analyzes the application of frequency conversion technology in water supply system， and finally summarizes the benefits of the application of frequency conversion technology， for reference.

【關鍵詞】變頻器；變頻技術；供水系統；應用效益

【Keywords】frequency converter； frequency conversion technology； water supply system； application benefit

【中圖分類號】TN773 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0179-02

1 引言

隨著城鎮化建設的不斷發展，我國城市規模不斷擴大，對相關的配套設施提出了更高的要求。供水行業是各項生產和生活用水的基本保障，不斷優化和完善供水系統成為供水企業的重要研究課題。從目前情況分析，一些在運行的供水泵的自動化水平較低，供水效率也比較低，同時存在較大的能耗，在一些供水企業或者社區存在著水資源浪費現象，進一步造成了經濟損失。而變頻技術是一種高效調速技術，通過調整電流實現對電動機運行速度的調節，具有高頻化、數控化、集成化的應用功能特點，在供水系統中能夠發揮良好的節能降耗效果，有利于供水行業經濟效益和社會效益的最大化。

2 變頻調速技術簡介

2.1 變頻器

變頻器根據需要將工頻電源轉為不同頻率的交流電源，從而實現對電動機的變頻調速。變頻器的組成主要包括整流器、中間電路、逆變器以及周圍的電路等幾部分，如圖1所示，其中整流器能夠對電網中的交流電源進行整流，實現交流變直流，中間電路則是對整流器輸出的電源進行平滑濾波，并傳輸給逆變器，逆變器作為變頻器的核心部件，需要完成直流變交流的逆變工作，為電動機提供所需頻率的交流電源[1]。目前，新型變頻器都配置了通信接口，對各種檢測到的信號和參數進行采集，實現上位機與變頻器之間的通信功能，可以實現對輸入信號的處理以及運行指令的下達，在需要高精度控制時，可將反饋信號反饋到變頻器，構成閉環系統。以變頻器為基礎的變頻技術在各個行業得到推廣，充分發揮了其節能降耗、自動化控制、質量提高、減小維修、提高適應性等優勢。

2.2 變頻技術

變頻技術的基本原理就是通過調整電源的頻率實現對電動機轉速的控制。交流電動機主要包括同步電動機和異步電動機，其轉速表達式為：n=（1-s）；其中s=，式中n表示轉子速度，n0表示電機同步轉速，s表示轉差率，f表示電源頻率，p表示電機極對數，通過公式我們可以發現，電源頻率、極對數、轉差率三個方面的改變可以實現電機的轉速改變，其中變頻調速是最穩定和簡單的調速技術，這就需要發揮變頻器的變頻技術，實現對電動機的調速。在水泵等設備中，變頻器主要采用VVVF控制方式，即保持電壓和頻率的比例系數不變，即改變電源頻率的同時，對輸出電壓進行有效控制，從而保障電動機的磁通不變，這種變頻調速技術叫作恒U/f控制。

3 變頻技術在供水系統中的應用

3.1 水泵調速方案的選擇

供水系統中的水泵運行過程中，輸出揚程H和電機轉速的平方形成正比例關系，在水流量為零的情況下，供水管道內部也要保持一定的水壓。供水系統中的水流量隨著用戶用水量而產生變化，具有一定的隨機性，因此，針對水泵電機主要通過控制水壓實現供水控制。水泵也是一種減轉矩負載，轉矩與轉速的平方成比例，轉速降低，轉矩也會減小，因此變頻器可以通過SF模式實現對水泵轉矩的調節。供水系統往往應用變頻技術實現恒壓控制，在這個過程中要求水壓連續可調，可以通過PID調節器建立壓力閉環控制結構，但是在保持電機動靜態品質方面存在不足。這時候還可以采用內環為速度閉環的SF控制系統，改善恒壓供水系統的整體性能[2]。

3.2 變頻恒壓供水系統設計

基于變頻技術的恒壓供水系統結構如圖2所示，應用PID調節器和變頻器形成一個閉環控制系統，對系統的動態響應進行優化和改善，進一步提高供水系統的控制準確度。在變頻恒壓供水系統中，SF變頻器調速控制系統為一種內環控制，在系統運行過程中，首先要啟動主泵，供水管網中的水壓需要達到設定數值，同時變頻器的輸出穩定在特定范圍。當用戶的用水量增加時，管道內的水壓就會降低，壓力變送器采集該信號，并傳送給比較器，比較器將該壓力數值與給定的壓力數值做比較，將差值輸入到PID控制器，經PID處理的數值再傳入SF控制變頻器，作為轉差給定值，進而調整電動機的轉速，實現對管道水壓的調節，使其回復給定數值，系統穩定持續運行。在用水量增加過多的情況下，主泵的供水量難以實現閉環控制效果，則需要啟動備用泵，如果用水量減少，也可以實現備用泵的自動切除。因此，在供水系統中應用變頻器可以根據水壓信號實現雙位控制，進而保證供水質量。

4 變頻技術在供水系統中的應用效益

利用變頻技術對供水系統進行全流量恒壓控制，能夠取得良好的運行效益，主要包括以下幾點：第一，高效節能，變頻恒壓供水系統可以根據水壓設定值，在水壓發生變化時對水泵轉速進行自動調節，從而保障供水效率，進一步減少電能損失；第二，供水壓力穩定，系統采用的是閉環控制方式，能夠根據系統水壓和壓力設定值差值進行自動調節，使得系統壓力保持恒定，流量連續可調；第三，PID調節功能實現自動運行，通過壓力傳感器反饋的信號，進行相應的調節，并利用PLC技術進行壓力值和PID相關參數的設定，通過PLC運算功能實現相關數據分析和處理，并且程序可以根據用戶需求靈活調整；第四，“休眠”功能，系統運行時經常遇到用戶用水量較小或不用水的情況，為了節能，系統具備可以使水泵具有暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于下限時，變頻器停止工作，當變頻器頻率達到設定啟動值后啟動水泵運行；第五，延長電機、水泵使用壽命，各泵均為軟啟動，消除了全壓啟動時的沖擊電流，延長了設備的使用壽命，采用各泵循環軟啟動，促使各泵不會因長久不用而生銹或頻繁使用而磨損[3]。

5 結語

總而言之，變頻技術是一種高新節能調速技術，應用在供水系統中，表現出良好的調速性能和節能效果，并且控制操作安全可靠，還能夠根據用水量實時調節供水系統。各大水廠或供水企業需要根據具體區域的供水需求，積極應用變頻技術實現供水系統控制功能的優化和完善，同時要做好變頻器的維護和保養，使得變頻技術能夠在供水行業發揮更大的應用價值。

【參考文獻】

【1】易亞軍.變頻技術在供水系統中的應用[J].城鎮供水，2010（03）：95-97.

【2】侯?？?，朱雷.變頻技術在二次供水系統中的應用[J].數字技術與應用，2012（05）：102.

【3】游龍華.變頻技術和PLC技術在恒壓供水系統中的應用[J].科技風，2013（11）：104.