变频器在恒压供水系统中的应用.doc

变频器在供水系统中的应用【概述】 以恒压供水系统的工作特性为例，介绍了丹麦DANFOSS变频器应用于变频调速供水系统中在节能、消除水锤效应、恒压运行等方面的优点，以及使用DANFOSS变频器与PLC（编程序控制器）及PID控制器等自动化元件结合实现变频自动恒压供水系统。一 供水系统运行及特点 1、供水系统的基本构造及原理M 入水口 1 出水口 2 4 3 5 6 1-出水阀门 2-供水池 3-压力表 4-进水阀门 5-水泵装置 6-蓄水池 供水系统的基本组成 以上是一套简单的供水系统基本组成，它主要是由水泵装置将低处水吸入加压抽到高处或其它远处的水池中，通过压力表来显示供水压力，当系统供水压力超过或者低于设定压力时，再通过手动调节出水阀门来调节系统压力，而这种阀门控制法的实质是水泵本身的供应能力（即电机的额定转速）不变，是通过改变系统水路中的阻力大小来 “强行”改变系统压力，以适应用户使用的要求。2、供水系统的主要参数 （1）流量 单位时间内通过管道截面的水流量，在管道截面不变的情况下，其大小决定 于水流的速度。 （2）扬程 水泵装置将水从某低位置抽至另一高的位置时水位的变化量。（3）实际扬程 在供水系统中，实际的最高水位与最低水位之间的水位差，即实际提高的水 位。（4）全扬程 水泵装置额定的供水能力。 （5）损失扬程 全扬程与实际扬程之差。（6）管阻 阀门和管道系统对水流的阻力。3、阀门控制法供水系统的缺点 第一、在供水系统中，最根本的控制对象是流量与压力，而一般的控制方法是通过调节系统出口阀门来达到系统的流量与压力的要求，但是，由于水泵的最初设计是按系统的最大需求量考虑并留有裕量，实际的供水量则较小，而在供水过程中不论阀门是处于开大还是关小的位置，系统的水泵装置还是一直在全压运行供水，此时电能损耗很大； 第二、用户的供水需求量是随时变化的，这就要求随时都要有工作人员来操作着系统，尤其是在夜间供水时,更有很大的不方便； 第三、水泵电机在工频全压起动时从静止状态加速到额定转速时，所需的时间仅有0.25秒, 这意味着在0.25秒内供水管道内的水流量从零猛增加到额定流量, 由于流体具有动量和一定程度的可压缩性, 因此, 在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击,并产生空化现象。而压力的冲击将使管壁受力而产生噪音, 犹如锤子敲击管到一样, 这种影响现象就称为水锤效应。而水锤效应具有极大的破坏性：压强过高,将引起管道的破裂；压强过低又会导致管道的瘪塌；另外水锤效应也会损坏阀门和其他固定件。 第四、工频运行的直接电机起动/停止将使系统的供水量急剧上升/下降，这样将使系统供水的压力冲击、变化很大，造成系统供水的稳定性很差。二 变频器恒压供水系统1、 恒压供水的目的 对供水系统进行的控制，归根到底就是为了满足用户对流量的需求，所以，流量是供水系统的基本控制对象。由于系统管道中水压的大小与系统的供水能力和用户的用水流量之间的平衡有如下的关系： 当系统供水能力大于用户用水流量时，系统的供水压力上升； 当系统供水能力小于用户用水流量时，系统的供水压力下降； 当系统供水能力等于用户用水流量时，系统的供水压力不变；从而，压力就成为用来作为控制流量大小的参变量，即保持了供水系统中的管道压力的恒定，也就保证了供水系统的供水能力与用户用水流量处于平衡状态,这就是使用变频恒压供水所要达到的目的。2、恒压供水系统的构成及工作过程 M压力传感器 PID变频器 现场压力表 水泵 出水压力 压力反馈 变频器恒压供水系统的构成 由上图可知,变频器恒压供水系统主要由变频器、PID控制器、以及压力传感器所组成的, 在系统工作时,先由PID控制器设定所需的供水压力, 再由PID控制器根据压力传感器检测反馈回来的压力信号来自动调节水泵的转速运行。当用水流量增加时，则系统供水压力下降，由压力传感器检测管道实际压力并输出模拟信号与PID控制器的设定值比较，再经过处理并输出频率给定信号来自动增加变频器的输出频率；反之，当用水流量减小时，系统供水压力上升，压力传感器检测管道实际压力并输出模拟信号与PID控制器的设定值比较，再经过处理并输出频率给定信号来减小变频器的输出频率。3、变频器恒压供水的工作优点 （1）采用变频器控制的转速控制方式，在阀门开度不变的情况下，水泵的转速随着系统供水压力的变化而变化，所以工作效率总是处于最佳状态，减少了系统的电能损耗。 （2）使用变频器恒压供水将提高系统的自动化控制程度，由于水泵运转随系统供水的变化而自动调节，所以也不需要随时都有人来操作系统。 （3）产生水锤效应的原因是水泵起动和停止过程中的动态转矩太大，而采用了变频调速以后，可以对水泵的加减速时间进行延长设置，使动态转矩大为减小，消除水锤效应。4、变频恒压供水系统的工作形式 变频恒压供水系统的工作方式在形式上有很多种，但按其控制方式来分主要有以下两种形式： （1）“N控N”方式 由1台变频器对应1台水泵电机控制的方式，这种控制的一次性投入的设备成本费用较高，但方式节能效果十分显著，可以很快地回收设备成本费，而且系统的压力供水稳定性很好，一般有“1控1”、“2控2”、“3控3”等几种形式。用于系统供水压力波动范围要求很低、稳定性很高的场合。 （2）“1拖N”方式 由1台变频器轮流拖动多台水泵电机的控制方式，这种控制方式所需投入的设备费用较少，但因只有一台水泵电机实行变频调速运行，故系统节能效果较差，而且系统的稳定性也较差。一般有“1拖2”、 “1拖3” 几种，另外针对于以上的几点不足之处，有的系统还有采用“2拖3” “3拖5” 等控制方式，这种控制方式常用于系统供水压力变化要求不高的场合。三、变频器恒压供水应用实例 随着变频调速技术应用的发展与普及，变频恒压供水也被越来越广泛地应用了，因此我们要加快步伐用先进的变频调速技术，来改造传统产业，以获得良好的经济效益和社会效益。以下以我公司为厦门市宝龙酒店设计的变频调速恒压供水系统为例来介绍变频器恒压供水的应用。1系统电气控制方案设计 可编程序控制器3#PID3# 变频器2#PID2# 变频器1# 变频器1#PID 系统的配置设计方框图 综合系统供水的控制要求，选用丹麦DANFOSS VLT2800 75KW 变频器三台,以保证三台水泵都可以自动软启动运行及稳态的压力控制；选用日本三菱 FX2N-48MR PLC 一台,完成系统水泵的切换、自动瞬时投入与切除运行以及各种故障警报保护功能；使用三只压力传感器来检测系统供水的实际压力值,并将检测到的压力信号转换成标准的模拟量电信号送给PID控制器处理；使用一只日本FUJI PID控制器设定系统需求的供水压力值,并根据压力传感器传输过来的模拟量电信号进行PID调节处理输出作为变频器的频率给定信号。2、系统实现功能（1）全自动平稳切换，恒压控制 管网压力传感器的压力模拟量420mA信号送给PID控制器，由PID控制器根据系统供水的压力设定值与实际检测值进行PID运算，并输出频率给定信号直接控制变频器的转速以达到管网的压力稳定；当用水量不大时，由一台变频器在PID控制调节下恒压供水就足够了；当用水量增加变大时，由一台变频器全速运行也不能够满足系统的供水需求，此时，PID控制器输出一个压力下限信号与变频器输出的频率上限信号同时送给PLC处理，这时PLC根据变频器运行状况，自动启动第二台泵变频运行，以补充管网的用水量需求，保证系统的供水压力稳定；若两台泵运行仍满足不了实际用水量需求，则PLC再根据PID控制器的压力下限信号和变频器的频率上限信号处理使第三台泵变频软启动运行 当系统用水量减少时，首先表现为变频器已经工作在最低转速，变频器输出频率下限，而此时若PID控制器的压力上限信号仍保持，PLC根据先投入先退出的控制原则，将第一台泵变频运行停止，以减少系统的供水量；在第一台泵切断变频运行后，若系统的供水量还是太大（即PID控制器的压力上限信号和变频器的频率下限信号仍然保持）时，PLC再根据先投入先退出的控制原则，将第二台泵变频运行停止