1.概述

隨著電力技術(shù)的發(fā)展和變頻調(diào)速技術(shù)的完善，以變頻調(diào)速為核心技術(shù)的智能供水控制已經(jīng)取代了以前的多泵開關(guān)和閥門調(diào)節(jié)供水方式。變頻率調(diào)速起動(dòng)電流可限定在額定電流范圍內(nèi)，從而避免在起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的任何影響。水泵啟動(dòng)平穩(wěn)，正常操作中的平均速度降低，從而延長水泵、閥等設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。變頻器的性能穩(wěn)定，操作簡單，功能也得到提升，使供水系統(tǒng)節(jié)省能源、水和勞動(dòng)力，最終達(dá)到高效運(yùn)行的目的。

2.應(yīng)用

加里寧格勒水廠主要負(fù)責(zé)加里寧格勒三大區(qū)的供水，共有三個(gè)供水站：1＃泵站，2＃泵站和3＃泵站。每個(gè)水站有幾個(gè)泵組成，采用主干管供水。頻率轉(zhuǎn)換前，為了滿足各區(qū)的供水和水壓，通過多個(gè)泵開關(guān)和閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)；每天水泵的啟停次數(shù)要求更加頻繁；現(xiàn)場操作極為不便；水壓力難以恒定保持。由于水泵常常在工作頻率直接啟動(dòng)，會(huì)受到較大影響，以致水泵和軸承需要頻繁維修。2009年，我們公司的技術(shù)人員測試現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)，我們主張為每個(gè)水站加裝變頻器；變頻器的PID功能使得供水系統(tǒng)進(jìn)行恒壓供水。2010年，我們在供水公司進(jìn)行了頻率改進(jìn)，解決頻繁啟停和高壓波動(dòng)的問題。現(xiàn)在，操作簡單，并且該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，節(jié)能效果顯著。

3.恒壓供水的原理

在實(shí)際工程中，最廣泛使用的調(diào)節(jié)器控制的原理是比例控制、積分控制和差分控制，簡稱為PID控制，也被稱為PID調(diào)節(jié)。PID控制器，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，操作可靠，調(diào)節(jié)方便，已成為工業(yè)控制重大技術(shù)之一。當(dāng)控制對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌控，精確的數(shù)學(xué)模型無法找到，或者控制理論的其它技術(shù)難以運(yùn)用時(shí)，該系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須通過經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試車來確定，最方便的就是應(yīng)用PID控制技術(shù)。通過按比例、積分和差分計(jì)算出的控制量來加以控制。

(1)比例（P）控制

比例控制是最簡單的控制方法?？刂破鞯妮敵龊洼斎胫g的誤差信號是相稱的。如果僅有一個(gè)比例控制，那么系統(tǒng)輸出則顯示一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。

(2)積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出和輸入之間的誤差信號積分是相稱的。如果一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后顯示一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，那么該控制系統(tǒng)則被認(rèn)為是帶有穩(wěn)態(tài)誤差或誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制器必須引入“積分期”。該誤差的積分期取決于時(shí)間積分。隨著時(shí)間的增加，積分期也將增加。因此，即使誤差較小，積分期也將隨著時(shí)間的增加而增加。促使控制器輸出增加，同時(shí)減小穩(wěn)態(tài)誤差，直至為零。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，比例+積分（PI）控制器即會(huì)消除穩(wěn)態(tài)誤差。

(3)差分（D）控制

在差分控制中，控制器的輸出和輸入之間的誤差信號（即誤差變化率）的差分是相稱的。自動(dòng)控制系統(tǒng)解決了在誤差校正處理中可能發(fā)生的振蕩不穩(wěn)定。理由是，有相對比較大的慣性模塊（相連）或滯后模塊，具有誤差抑制效果，其變動(dòng)總是落后于誤差的變化。解決的辦法是“提前”抑制誤差變化；即，當(dāng)誤差接近于零時(shí)，誤差抑制效果應(yīng)為零。這意味著，只引入“比例”期往往是不夠的，因?yàn)楸壤诘男Ч莾H擴(kuò)增誤差幅度?，F(xiàn)在需要增加“差分期”，它可以預(yù)測誤差變化趨勢。所以比例+差分控制器可以把誤差抑制控制效果提前為零或負(fù)數(shù)，從而避免控制量的嚴(yán)重過載。對于大慣性或滯后被控對象，比例+差分（PD）控制器能改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。

為了保持該系統(tǒng)的一致控制量，請?jiān)诳刂屏康奈恢冒惭b傳感器作為反饋元件。它會(huì)向控制器反饋控制量信號；控制器會(huì)對比反饋信號與給定信號，計(jì)算出調(diào)節(jié)量，從而控制受控對象，所以控制量總是保持在一定的范圍內(nèi)。閉環(huán)控制圖如下：

閉環(huán)控制圖

4.  設(shè)備選型和系統(tǒng)配置

基于參數(shù)和現(xiàn)場設(shè)備的工藝要求，結(jié)合我們公司CHH100系列高壓變頻器的功能特點(diǎn)，我們公司的技術(shù)人員給三個(gè)水泵站安裝了兩臺(tái)6kV/500kW高壓變頻器和一臺(tái)6kV/250kW高壓變頻器。主要技術(shù)參數(shù)如下：

根據(jù)現(xiàn)場條件，三臺(tái)CHH100系列高壓變頻器安裝在同一個(gè)房間。每臺(tái)變頻器控制三個(gè)泵站的一個(gè)電機(jī)的頻率。變頻器和現(xiàn)場電機(jī)的安裝請見下圖：

  運(yùn)行中的變頻器  

運(yùn)行中的電機(jī)

CHH100系列高壓變頻器具有內(nèi)置PID功能，操作靈活?？刂七B接可采取多種模式，包括線連模式和通信模式。根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場的實(shí)際情況，選擇了線連模式；變頻器通過操作柱遠(yuǎn)程控制；系統(tǒng)的閉環(huán)和開環(huán)運(yùn)行可以通過控制面板來選擇。變頻器控制界面和遠(yuǎn)程操作柱請見下圖：

變頻器控制界面

遠(yuǎn)程操作柱和測厚計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場泵的特性和用戶的用水量的變化，結(jié)合CHH100系列高壓變頻器的功能特性，現(xiàn)場變頻器的PID相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

5.節(jié)能效果

變頻器于2010年4月5日安裝完畢。按照現(xiàn)場生產(chǎn)要求，于4月8日對變頻器進(jìn)行了試車并投入使用，4月11日 - 4月13日對水泵進(jìn)行了電力節(jié)能測試。測試數(shù)據(jù)如下：

1) 1#供水站水泵：

根據(jù)電表的實(shí)際讀數(shù)和兩天內(nèi)的電網(wǎng)頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計(jì)算出該系統(tǒng)的節(jié)能情況。變頻改造后，1#供水站的綜合節(jié)能情況是：

每天節(jié)約電量 = 11160 - 8400 kWH = 2760 kWH

節(jié)電率= （11160 - 8400）/21720 ×100% = 24.73%

2) 2#供水站水泵：

根據(jù)電表的實(shí)際讀數(shù)和兩天內(nèi)的電網(wǎng)頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計(jì)算出該系統(tǒng)的節(jié)能情況。變頻改造后，2#供水站的綜合節(jié)能情況是：

每天節(jié)約電量= 9360 - 6840 kWH = 2520 kWH

節(jié)電率= （9360 - 6840）/9360 ×100% = 26.92%

3) 3#供水站水泵：

根據(jù)電表的實(shí)際讀數(shù)和兩天內(nèi)的電網(wǎng)頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計(jì)算出該系統(tǒng)的節(jié)能情況。變頻改造后，3#供水站的綜合節(jié)能情況是：

每天節(jié)約電量= 5280 - 3720 kWH = 1560 kWH

節(jié)電率= （5280 - 3720）/5280  ×100% = 29.55%

6.變頻的優(yōu)勢

1)功率因數(shù)增加：當(dāng)原始電機(jī)直接以電網(wǎng)頻率運(yùn)行時(shí)，滿載的功率因數(shù)約為0.84。而變頻系統(tǒng)，在電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.95，并且能夠滿足在沒有無功功率補(bǔ)償裝置情況下的電網(wǎng)要求。這進(jìn)一步節(jié)約了上游設(shè)備的運(yùn)行成本。

2)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著：變頻器改進(jìn)后，在滿足用戶要求的前提下，可設(shè)置一定的壓力來降低電機(jī)的耗電量。根據(jù)實(shí)際測試，泵站水泵的節(jié)電率達(dá)到24％以上。

3)設(shè)備操作簡單：變頻器改進(jìn)并設(shè)置壓力后，操作簡單靈活，并能避免水泵的反復(fù)啟停。減少了對馬達(dá)和泵的影響，并且可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4)恒壓主管：通過遠(yuǎn)程給定的壓力，該變頻器的輸出頻率可自動(dòng)調(diào)節(jié)，以保持恒定的壓力。減少了主管中的壓力波動(dòng)，防止了管網(wǎng)上啟動(dòng)頻率的影響，避免了管網(wǎng)壓力超限，并提高了供水質(zhì)量。

5)設(shè)備維護(hù)成本降低：變頻器改進(jìn)后，啟動(dòng)順暢，降低了對電機(jī)軸承的影響。在正常運(yùn)行期間，大部分時(shí)間頻率在50Hz以下。減少了對機(jī)械系統(tǒng)的磨損，從而減少了對設(shè)備的維護(hù)；同時(shí)也延長了設(shè)備的使用壽命。

參考資料：

【1】CH100系列變頻器說明，深圳市英威騰電氣；

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