交流變頻技術在供水行業(yè)的應用
一、前言
工業(yè)生產廣泛使用電力拖動，電力拖動的耗電量占了工業(yè)生總耗電量的一半，而電力拖動又離不開調速，選用先進的調速技術是節(jié)能降耗的重要措施，在供水行業(yè)也是如此。如用交流變頻器驅動大功率水泵已得到普遍應用，一般都取得了明顯的節(jié)能效果。
交流變頻不但節(jié)能效果好，由于其調速平滑、調速范圍寬、機械特性硬、保護功能齊全、安裝簡單、操作方便、控制靈活、運行平穩(wěn)、安全可靠，使其能滿足廣泛的應用需求。在供水行業(yè)有很多從工藝上需要調速的情況，如控制計量泵等精確給定各種藥劑投加量、通過反饋調節(jié)穩(wěn)定水位、壓力、流量等。
近一、二十年來，我國供水行業(yè)自動化程度也在不斷提高，這一方面是人們的觀念在變化，同時也是自動控制技術與設備水平提高的結果。交流變頻設備作為自動化系統(tǒng)一個便利的控制執(zhí)行設備，對自動化技術的提高起到了推波助瀾作用。
交流變頻是在現(xiàn)代微電子技術基礎上發(fā)展起來的新技術，它不但比傳統(tǒng)的直流電機調速優(yōu)越，而且也比調壓調速、變極調速、串級調速、液力耦合調速等調速方式優(yōu)越，是理想的調速方式。目前工業(yè)發(fā)達國家已廣泛采用變頻調速技術，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術。
交流變頻器作為商品開始在國內上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數(shù)十億元人民幣的市場。其中，各種進口品牌居多，如ABB、AB、富士、西門子、三肯、安川等。我國也開發(fā)出了華為、惠豐等品牌，其性能與進口產品接近。
由于技術的提高、應用領域的擴大、生產成本的降低和市場競爭的加劇等原因，交流變頻設備的價格不斷降低，這又反過來促進了其應用領域的擴大，同時也需要有更多從事供水行業(yè)的技術人員更好地掌握交流變頻設備的特性和行業(yè)應用技術。
二、交流變頻技術及其設備特性
交流變頻中使用最多的是電壓型交流變頻技術，由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。在其工作時首先將交流電經橋式可控硅整流為直流電，脈動的直流電壓經平滑濾波后在微處理器的調控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調的三相交流電源，輸出到需要調速的電機上。其技術核心是以微電子技術控制大功率快速可關斷晶體管(如GTO、GTR、IGBT、IPM)，形成所需要的輸出波形。
隨著技術的進步，交流變頻設備能準確地判斷電機負載的變化，使輸出頻率、電流與電壓關系達到優(yōu)化。同時，在控制電路中運用微處理器的高度智能性，結合軟件設計使變頻控制更加靈活方便，現(xiàn)代的交流變頻器不僅只是一臺交流變頻設備，還相當一臺高性能且使用方便(不用編程)的智能控制設備。
現(xiàn)代交流變頻設備一般具有如下特性：
1、通過改變頻率連續(xù)調節(jié)交流電機的轉速
交流電機分同步電機和異步電機相類，同步電機的轉速與電源頻率成正比，異步電機的轉速與電源頻率也基本成正比(電源電壓和負載變化等對轉速有很小影響)。因此，通過改變頻率進行交流電機調這是最佳途徑。變頻調速與其它調速相比的優(yōu)點有：(1)連續(xù)平滑調速(相對變極調速等)；(2)調速范圍寬(相對調壓調速、變極調速等)；(3)機械特性硬(相對調壓調速、液力耦合調速等)；(4)保護功能齊全(相對其它各種調速方式)；(5)節(jié)能效率高(相對除變極調速以外的其它各種調速方式)；(6)實施簡便(勿需機械設施和改造電機)。
2、根據頻率和負載的變化控制輸出電壓
早期的交流變頻器的輸出電壓與頻率成正比，這種技術不能適應不同的負載情況。第二代產品可以選擇輸出電壓與頻率的關系曲線或采用磁通軌跡法控制輸出電壓，后來又發(fā)展到矢量控制(VC)和最先進的直接轉矩控制(DTC)方式。先進的輸出電壓控制方式可以在保證負載驅動所需轉矩的同時，盡量減少電機的電耗和發(fā)熱。
3、通過參數(shù)設置適應不同的應用與電機特性
為了適應不同的應用與電機特性，交流變頻器設計了很多參數(shù)，一方面這些參數(shù)出廠時置有缺省值以滿足最簡單的應用，另一方面用戶可以通過改變這些參數(shù)的信使之適于具體應用。最基本的參數(shù)有驅動電機的額定特性(電壓、電流、功率、轉速、功率因素等)、負載適應參數(shù)(頻率范圍、轉矩提升、滑差補償?shù)?、啟停與轉向控制方式、加減速時間、頻率給定與控制方式、制動功能設置、保護功能設置等。
4、多種方式給定輸出頻率
多種頻率給定方式為用戶提供靈活的應用手段，常用的頻率給定方式有： (1)操作面板手動給定，即用變頻器操作面板上的電位器或按鍵給定頻率；(2)外部電位器給定，即外接一個分壓電位器(可變電阻)并通過改變電位器的阻值給定頻率；(3)外部模擬量給定，即從外部接入一個直流電壓或電流信號，其信號的大小對應于給定頻率；(4)多段頻率給定，即給變頻器外接若干個觸點開關，通過這些開關的狀態(tài)對應若干個預設的頻率(不連續(xù))；(5)串行通訊給定，即通過RS232C、RS485等串行通訊口以數(shù)字量直接給定頻率，這是一種最精確的頻率給定方式，但需要有通訊控制設備(如PLC或計算機)。
以上方式給定的不一定直接就是頻率，有些變頻器可按設定最大頻率的百分數(shù)給定頻率，有些變頻器可以直接給定電機的轉速。較先進的變頻器還可間接給定頻率，如對給定值或多個給定值進行各種運算后作為給定頻率，最復雜的是通過PI或PID模型計算給定頻率，即將給定值與被控工業(yè)過程反饋量(如流量、壓力、溫度等)比較，用其差值代入PI或PID數(shù)學模型計算出給定頻率。
5、豐富的信號采集處理與輸出能力
交流變頻技術是以微電子技術為基礎的，又被廣泛應用于自動控制領域，這使變頻器的設計者在其控制電路中很容易也有必要加入外部信號接口 (AD／DA轉換、隔離、濾波等)功能，F(xiàn)在的變頻器基本上都包含了開關量和模擬量的輸入和輸出功能，最先進的還加入了串行數(shù)字通訊能力(見后述)，使得變頻器的功能接近一臺智能控制器。
開關輸入量往往用于啟停與轉向控制、頻率給定、功能選擇等；開關輸出量用于表示變頻器運行、故障等狀態(tài)；模擬輸入量用于接受給定值、過程反饋量等；模擬輸出量則一般用于反映變頻器運行頻率、輸出電流等物理量。
6、全面的保護功能與故障處理能力
變頻器的核心部件是半導體，瞬間過壓或過電流就會燒損、為此所有變頻器都設計了快速反應的電子保護功能，這也是交流變頻技術能夠商品化和被普遍應用的另一技術關鍵。同時，變頻器的保護功能也是為保護驅動電機及機械設備而設計的。
變頻器的保護功能一般有：過壓、欠壓、過流、短路、過載、失裁、過熱、失速、堵轉等。變頻器在故障現(xiàn)象較輕時先顯示警告信息，當故障現(xiàn)象較嚴重時保護功能動作，常見的保護功能有降頻運行和停機。在故障保護停機后，在給出故障報警的同時，也可以設置自動恢復運行，自動恢復運行的時間間隔和允許嘗試次數(shù)也可以通過參數(shù)設定。
7、工業(yè)過程的PID(或PI)閉環(huán)控制能力
這是變頻器的又一先進功能，當變頻器用于工業(yè)生產過程中并起調節(jié)作用時，變頻器的控制電路與軟件可以代替一臺PID或PI調節(jié)器實現(xiàn)閉環(huán)控制。
當變頻器設定為PID或PI控制模式時，PID或PI調節(jié)的給定值可以選用上述第4條所述的各種方式，而被控過程量的反饋信號從一個模擬量輸入口接入變頻器，PID或PI的輸出直接作為變頻器頻率給定。PID或PI模型的參數(shù)根據被控過程的動態(tài)特性估計和設置。
8、先進的串行數(shù)字通訊能力
近年來，越來越多的變頻器加入了串行數(shù)字通訊能力，這一功能受到很多高水平變頻器應用者青睞。數(shù)字通訊有以下優(yōu)點；(1)提高變頻器頻率給定的精度，使得頻率可按0．01Hz或更小單位給定，且無傳輸失真；(2)實現(xiàn)遠程控制，即通過通訊控制設備(如PIC、微機、網絡等)從遠程控制變頻器啟停、轉向和頻率；(3)多臺變頻器同步控制，即用一臺控制設備與多臺變頻器同時通訊，統(tǒng)一控制頻率；(4)實現(xiàn)變頻器參數(shù)的批量和遠程查看與修改，如通過微機編程查看和修改變頻器參數(shù)；(5)擴展變頻器的應用，如用變頻器的AD/DA口進行數(shù)據采集與控制，節(jié)省PLC的模擬量模塊等。
三、交流變頻設備在供水行業(yè)中的應用
交流變頻設備在供水行業(yè)的應用目的不外乎兩個，其一是為了節(jié)能降耗，其二是為了工藝的需要或優(yōu)化，有些應用同時具備這兩個目的，F(xiàn)按應用的技術特點分類介紹如下。
1、最簡單的應用——人工調頻
此類應用方式適于電機轉速不需要經常調整或因缺少傳感器不能構成自控系統(tǒng)的情況，使用變頻器使工藝過程的人工調速成為可能或更方便。如：
(1)用變頻器驅動取水泵取水，由人工根據清水池水位調節(jié)變頻器頻率，因為取水流量變化幅度小，清水池又有較大調節(jié)容積，所以人工調頻不會太頻繁；
(2)用變頻器驅動計量泵電機進行混凝劑、助凝劑或消毒劑等的投加，因為在一些情況下原水水量、水質變化不大，而通過變頻器與計量泵配合可以精確定量，操作者易做到心
里有數(shù)，由人工摸索最佳投加量也是可能的；
(3)用變頻器驅動風機或水泵進行濾池氣洗或水洗，因為有些濾池的反洗程序本身就是人工操作的，由人工觀察濾池反洗情況，根據需要調節(jié)頻率大小和開機時間以控制氣量或水量的大小與反洗時間等，可以達到反洗效果最佳、水電消耗量最少的目的。
這些應用是變頻器的基本功能，使用變頻器出廠參數(shù)，從操作面板直接調節(jié)頻率即可。
2、多段頻率的應用——不連續(xù)調頻
在一些應用場合，可以用變頻器的多段頻率功能達到工藝要求，這種應用可以實現(xiàn)自動化，而給變頻器的是開關信號，實施簡單，可靠性也較高。如：
(1)根據平流沉淀池積泥規(guī)律將其分為若干段，并為每段設置一個吸泥行車行走速度(能將泥吸凈又不浪費水的合適速度)、然后將行走速度換算為驅動行車變頻器的頻率，設在行車行程上的限位開關信號經變換后接入變頻器，控制變頻器的頻率切換；
(2)筆者曾設計過一套混凝劑溶解與濃度控制系統(tǒng)，固體混凝劑用水力循環(huán)進行溶解，循環(huán)水流由變頻器帶動水泵驅動，該水泵同時用于向溶液池輸送藥液，經工藝設計使循環(huán)溶解所需水泵揚程大于輸液所需水泵揚程，當檢測濃度大于設定值時控制變頻器以低頻運行，只輸液不溶解，由于補水由浮球閥控制，在藥液使用消耗時不斷補水，濃度逐漸降低，當濃度小于設定值時，控制變頻器以高頻運行，既輸液又溶解，藥液濃度不斷提高，如此重復；
(3)有一類無塔供水設備，其原理是將供水流量或壓力傳換為若干開關信號，變頻器根據這些開關信號狀態(tài)改變頻率，并驅動加壓水泵以不同轉速工作，達到保證供水的目的。
3、由外部信號直接給定頻率的應用
這是變頻器的一類常見應用，即將生產過程中的某一檢測信號輸入到變頻器的AD口，由這一信號直接給定頻率或經變換后給定頻率。如：
(1)在自動控制系統(tǒng)中，由控制器（如PID調節(jié)器、PLC或微機等)輸出控制信號(模擬信號或數(shù)字信號)，并直接接入變頻器中作為頻率給定信號；
(2)在水處理工藝中，當用流量比例控制助激劑或消毒劑等的投加時，可以將水處理流量信號輸入變頻器中，作為給定頻率控制計量泵的轉速；
(3)將聲、光傳感器的信號輸入變頻器中作為給定頻率，由變頻器驅動噴泉循環(huán)水泵，使得噴泉的水柱高度隨著燈光或音樂的強弱而變化，形成奇妙的動態(tài)變化噴泉效果。
4、定值閉環(huán)控制應用
該類應用是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)工業(yè)過程的閉環(huán)控制，并使被控制量(流量、壓力、溫度等)保持恒定。如：
(1)變頻恒壓供水設備的構成方案之一就是不依靠單片機、PLC或PID調節(jié)器等控制設備，而是直接將供水壓力信號直接輸入變頻器中，由變頻器將其與設定壓力值比較，并通過內部PID或PI算法控制水泵轉速，達到水壓恒定；
(2)在水廠流動電流檢測單閉環(huán)混凝劑投加系統(tǒng)中，可以將反映投藥量的流動電流檢測信號直接輸入驅動計量泵的變頻器中，由變頻器將其與設定流動電流值比較，并通過內部PID或PI算法控制計量泵轉速，實現(xiàn)最佳投藥量控制;
(3)在水廠取水泵站，將清水池水位信號直接輸入驅動取水泵的變頻器中，由變頻器將其與設定水位值比較，并通過內部PID或PI算法控制水泵轉速，從而實現(xiàn)清水池水位恒定控制。
5、變值閉環(huán)控制應用
該類應用也是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)工業(yè)過程的閉環(huán)控制，但被控制量的設定值不是由人工給出，而是要借助其它控制設備(單片機、FLC、FID調節(jié)器、計算機等)根據一定規(guī)律自動給出，而給出的設定值往拄是易變的。如：
(1)對于城鎮(zhèn)送水泵站或加壓泵站，也可采用變頻調速進行供水壓力閉環(huán)控制，但恒壓供水不是最理想方案，供水壓力應根據供水流量或用水時段設定，常用用一臺PLC或單片機等根據供水流量或用水時段等計算水壓設定值，由變頻器根據實測水壓與設定水壓之差，用內部PID或PI算法控制水泵轉速；
(2)上述水廠流動電流檢測閉環(huán)控制混凝劑投加系統(tǒng)中，因流動電流檢測值漂移等原因、流動電流最佳設定值也不是常數(shù)，有一種方案是利用濾前水濁度修正流動電流設定值，即構成所謂雙閉環(huán)控制，用一臺PLC或PID調節(jié)器根據濾前濁度與設定濁度差值來調節(jié)流動電流設定值，再將設定值輸入到變頻器，由變頻器將其與檢測值比較并根據內部的PID或PI算法控制投藥計量泵轉速；
(3)在濾池反洗控制中，可用變頻器驅動反洗水泵，將反洗流量檢測信號輸入變頻器，可由變頻器的PID或PI算法組成反洗流量控制系統(tǒng)，用單片機、PLC或微機編制程序使反洗流量按一定規(guī)律變化，則可以構成效率最高和最節(jié)水的變速反洗控制系統(tǒng)。
四、結束語
交流變頻設備的使用為許多工業(yè)過程帶來了高質量和高效益。，供水行業(yè)越來越多的應用者也深深地體會到了這一點。
隨著交流變額技術水平的不斷提高，也隨著行業(yè)應用者水平的不斷提高，人們將可以為交流變頻設備在供水行業(yè)找到更多的應用領域和應用方案，甚至交流變頻設備的應用也可能引起供水工藝本身的革新。
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