水廠加壓站中變頻恒壓供水的應用研究

武 逸 冰

(山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

隨著社會的不斷發展，各行各業對水的需求量也越來越高，特別是在城市不斷發展的過程中，城市的擴張對供水也提出了更高的要求。在城市擴張的過程中，會出現一些郊區的擴張和建設，這個地區一般會處在供水管網的末梢，并且生產生活方面的用水量變化比較快，因此對供水的安全性和穩定性提出了更高的要求，同時在供水的連續性方面也難以得到有效的保證。對傳統的加壓方式來說，水質容易受到嚴重的污染，同時基建投資比較多，會導致操作人員的工作量比較大，這種操作模式最主要的特點就是供水壓力不能夠保持在恒定的狀況中，因此會導致供水的質量比較差。在水廠加壓站中進行變頻恒壓供水的應用可以提升水廠加壓站的運行效率和效果，從而為供水的穩定提供幫助，實現供水的平衡，促進社會的發展。

1 軟件和硬件系統的實現

1.1 硬件系統

水廠加壓站中變頻恒壓供水的應用，首先需要完成硬件系統方面的建設，結合不同地區的具體供水實際情況和需求，所使用的硬件設備也會存在一定的差異性選擇，為了能夠有效的使水壓處在一個恒定的控制狀況當中，人們可以對水泵的電機轉速進行改變，同時也可以對單臺水泵的工頻及變化頻率進行切換，除了這些措施之外，還可以結合實際的情況，對運行水泵的數量進行控制。系統可以采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，通過安裝在管網干線上的壓力傳感器檢測管網的水壓，將壓力轉化為4 mA～20 mA的電流或者是0 V～10 V的電壓信號，提供給變頻器。因此可以根據具體的定值和實際值完成設定電壓電流的電流值及反饋電流信號的對比，然后再利用相應的控制端來進行自動調節工作的開展，改變頻率的輸出值對所有的水泵電機轉速進行控制。這樣的一種硬件處理方式能夠使單臺水泵的恒壓供水成為現實，但是對兩臺水泵的多種工況運行，還需要進行開關量的控制工作，并且會涉及到大型數據的處理，因此要注重數據處理能力的提升，在這樣的背景下，單純使用單頻器單獨控制難以實現。目前，在相關的硬件設備中，西門子系列的PLC在一些小型自動化控制系統當中的應用十分廣泛，對該設備的模擬量采集模塊進行運用，可以實現壓力傳感器和變頻器控制的連接工作，同時在編程操作的幫助下，對多機組和多工況調度方面的問題進行解決，再結合具體的組態軟件，方便操作人員對狀態進行及時的查看和介入方面的控制。

1.2 軟件系統

在軟件系統的設置中，首先要使用合理的編程軟件，進行控制程序的編寫操作，以此來更好的對系統手動和自動的切換問題進行解決，并且完成參數的初始以及信號和通訊數據的預處理工作。此外，通過程序的編寫，還能夠進行泵的啟動及切換，對停止方面的條件和順序設置也能夠有效的推動。當供水的壓力出現不夠充足的情況時，人們可以增大變頻器輸出的頻率，反過來，人們就應該減小變頻器的輸出頻率，從而使水壓始終保持在一個穩定的狀況中。在實際的編程過程中，人們需要考慮變頻器頻率調整過于頻繁的情況，因為過于頻繁會導致超調情況的出現，因此需要設置一個連續的采樣，更好地使三次滿足條件之后，獲得及時的輸出和調整。

2 變頻供水系統運行狀態

2.1 安全生產

系統之所以能夠穩定的對供水總管的壓力進行控制，在很大程度上源于軟件和硬件方面的設置合理和配合流暢。在變頻供水系統運行的過程當中，實現安全的生產是非常重要的一個前提。有的加壓站目前的能力能夠滿足實際用水量的需求，變頻器能夠有效的對水泵電機的轉速進行調節，根據用戶用水量需求的大小通過管網壓力進行調節，從而實現動態供給方面的平衡，確保整體管網的安全性，也能夠有效的減少操作人員在勞動方面的長度以及換泵方面比較繁瑣的程序。對這些系統來說，它有比較完善的保護功能，例如：接地、過載和過壓等，同時還能夠確保整個系統處在安全和可靠的狀況下。

2.2 節能運行

充分考慮水泵的流量特性及電機的轉速，在分析水泵電機功率、水泵流量、水泵揚程的情況下，可以探討出具體的計算公式和計算的模型。

軸功率P=Q·H·9.8·ρ/3 600·η。

其中，H為揚程,m；Q為流量,m3/h；η為泵的效率；P為軸功率,kW；ρ為水介質比重，取1 000 kg/m3；g=9.8。

推導出P=2.73HQ/η。

由此可以看出，電機的功率和水泵的流量之間是一個正比的關系。在大多數情況下，加壓站用戶側的水量都是處在不斷變化的過程中，如果遇到需水量處于波谷時期的時候，那么變頻器就會降低水泵電機的轉速，以此來使節能效益處在一個比較可觀的狀態下。目前所使用的變頻器大多數都會具有軟啟動和平滑停車方面的功能，因此能夠使電機的啟動和停車電流得到限制并且降低，能夠在最大程度上減少大電流對電機繞組所帶來的沖擊，也能夠使電機突然啟動和停止，對水泵帶來的沖擊得到有效的減少，能夠在一定程度上確保電機和水泵獲得有效的保護，促進它們使用壽命的延長。在這樣的狀況下，管道和閥門的沖擊及磨損，也會達到一個最小的狀況，設備的維護工作量也能夠獲得減少。

3 系統出現的問題和解決的方案

3.1 電流相間不平衡分析

電機電流相間不平衡最主要是在系統啟動的過程中出現，通過相應的觀察可以發現，相間電流相差一般會在幾十到一百安培之間，在這個時候，變頻器的工作會處在一個正常的狀況下。在使用的過程中，人們一般會開展隨時的檢查工作，如果在檢查的過程當中發現變頻器的溫度比較高，達到了報警溫度的狀況，那么就需要采取一些有效的措施進行處理。對于變頻器而言，如果長期處在這樣的一種高溫環境下，那么會導致逆變器的工作性能受到嚴重的影響，從而出現電壓波形畸變的情況，這種情況的存在，也會導致電機相間電流有著不平衡現象的存在。變頻器出現溫度升高，最主要的原因是冷卻通風方面的效果不夠理想，有這種情況的存在，一方面受到環境溫度過高的影響，另外一方面也由于電氣柜設計不合理所造成，因為設計結構的不合理，會使得冷卻出風口的熱風返回到冷卻進風口的位置，從而導致冷卻風道的溫度會處在越來越高的狀況下。

對這種問題的解決方法，首先需要提供一個合適的環境，對電氣柜的布局進行全方位的改造工作，使變頻器的冷卻進風口和冷風出風口之間得到有效的隔離，確保冷卻效果得到全方位的加強。只有變頻器的溫度得到有效的下降，才能夠使得電機電流相間不平衡的現象得到全方位的消除。

3.2 直流母線電壓脈動分析

在通常情況下，中間電路的直流母線電壓脈動出現的原因最主要就是主電源缺相，如果出現熔斷器燒斷或者是整流橋內部故障的情況，也會導致直流母線電壓脈動出現。如果直流電壓的脈動是直流電的13%的時候，變頻器就會出現自動保護性停車的狀況。經過多次的檢查，人們可以發現，變壓器高壓側容易受到高次諧波的干擾從而出現燒保險的情況。一旦高次諧波的情況比較嚴重，電壓波動為直流電壓13%的時候，變頻器就會出現自動保護性停車的情況，而這種現象完全是由于外部原因所引起的一些故障。

對這種問題的解決辦法，首先應該在變頻器的電源進線側進行一臺進線電抗器的家裝，以此來使變頻器的進線電源得到有效的凈化。安裝的供電質量是比較高的，因此在進行變頻器生產的時候，在直流母線電壓脈動的保護值設計方面會處在比較保守的狀況下，實際上人們可以把13%的電壓脈沖值調整到脈沖20%的狀態，使直流電壓脈動的保護范圍得到有效的放寬，因為在這個時候，變頻器的工作狀況仍然比較可靠。這樣的一種處理方式比較簡單，但是不能夠對問題進行徹底的解決，因為在一些狀況下，依然會出現變頻器保護性停機的情況。

4 結語

變頻調速技術是一種比較成熟的交流電機無極調速技術，這種技術有非常獨特的優良性能，夠廣泛在供水控制領域當中進行使用，從而使恒壓供水技術獲得有效的發展。在實際的系統中，能夠把反饋實際壓力和給定的壓力進行有效的比較和分析，當管網的壓力不夠充足的時候，會主動對變頻器輸出頻率進行增大，從而使水泵的轉速得到有效的加快，最終迫使管網的壓力得到上升。反過來，在操作的過程當中，就是要減小變頻器的輸出頻率，使管網的壓力得到有效的下降，確保水壓始終能夠保持在恒定的狀況下。