南京源动力水处理技术有限公司 江苏南京 210000
自上世纪八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约20~50%，其节能效果相当可观。采用变频调速恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、压罐供水系统相比，具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少水泵机组设备的冲击等优点
1 串联式高压变频器基本原理
现行串联式是高压变频器的主要结构由输入移相变压器和功率单元构成，以6级单元为例，系统主电路示意图如图2-1所示。
图2-1 串联式式高压变频器主电路示意
整流型变压器的设计一般均采用Yd联结，其目的在于二次侧的三次(及三的倍次)谐波电压相互抵消，不会在二次绕组中形成电流，也就不会耦合到一次侧，以消除对电网的三次(及三的倍次)谐波干扰。
三相变压器采用Yd11联结可以实现一次、二次线电压间的30°相移，二次线Uab电压比一次线电压UAB超前30°，而任意角度的相移则可以采用延边三角形的方法来实现，即各组二次侧的基本绕组(a1、b1、c1)采用三角形，其移相绕组(a2、b2、c2)在各三角形的顶点延伸出来。
通过调整基本绕组和移相绕组的匝数比，对于逆延联结方式，可以实现θ为0o~30o区间的任一角度；而对于顺延联结方式，可以实现θ为30o~60o区间的任一角度。取α=θ-30o，则α为二次线电压超前于一次线电压的相位角，可见，采用延边三角形联结，α的变化范围为-30o~30o，亦即可以实现二次线电压对一次线电压从滞后30o到超前30o的相角变化。这也是移相变压器二次侧移相的基本原理。
移相变压器的一次侧绕组采用Y联接，二次侧绕组采用延边三角形接法，各级绕组之间互差60/n度(n为级数)。移相变压器有两个主要作用：1）隔离各功率单元的供电输入，降低功率单元输入电压等级；2）通过二次侧移相，使折合到一次侧的二次侧绕组的电流谐波相互抵消，从而消除一次侧电流谐波。
串联式式高压变频器的功率单元主要由前端不可控整流桥，母线电容及后端IGBT组成的H桥构成，其结构图如图2-2所示。
图2-2 功率单元结构图
图2-2中，二极管D1~D6组成的三相不可控整流桥和母线电容C1、C2(实际的功率单元母线电容由于考虑耐压和容量，一般都由多个电容串并而成，而且有均压电阻，图中做了简化处理)一起完成AC/DC转换，将输入的三相交流电转换为直流；Q1~Q4四个IGBT构成H桥，在开关信号控制下，可以输出正、负和零三种状态电压；由于功率单元在上电时的电流很大，所以在母线上需要加上由限流电阻和开关构成的上电装置，在上电之初开关断开，电流通过限流电阻向母线电容充电，母线电容充电完成后控制开关将限流电阻短路，从而不影响功率单元的正常运行；在电机再生发电时，为防止母线电压过压损坏器件，母线上需并上制动模块，进行放电处理；另外，为提高系统可靠性，功率单元输出端装有旁路装置，当某个功率单元不能工作时将其旁路，这样，在个别功率单元损坏的情况下也不会影响整个系统的运行。
串联式式高压变频器的输出的是多电平PWM，多电平PWM的调制方法有多种。目前广泛应用于级联型逆变器的多电平PWM技术可以分为两大类，即载波调制PWM（Carried-based PWM）技术和空间矢量PWM（Space vector PWM，SVPWM）技术，都是两电平PWM方法在多电平逆变电路中的扩展。
2 变频恒压供水系统设计方案
2.1 恒压供水系统组成
图3-1为恒压供水系统的组成框图，水泵在运行中压力传感器将压力检测点(管网的中部)的管网压力H的信号经PID处理后传输给变频器，当管网压力H低于设定压力H0时，PID装置向变频调速器发出提高电源频率的信号，变频调速器将电机转速提高后，水泵的转速也相应提高，出水量增大，管道压力H也随之升高，反之，水泵的转速相应下降，管道压力H也随之降低。
图3-1恒压供水系统的组成框图
2.2 系统方案选择
变频恒压供水系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。现常用的系统控制方式为“变频器+PLC+人机界面+压力传感器”的控制方式。
这种控制方案将与系统相关所有状态量、检测数据等统一接入PLC系统，PLC控制器负责数据的采集和处理，功能扩展灵活，便于远程控制管理，同时能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.3 PID闭环控制系统设计
变频恒压供水系统的核心是恒压控制，它是根据水压给定值与供水管道中实际压力值的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机的转速以适应管路中压力的变化。现在常使用控制方式有两种：第一种是利用变频器自带的PID进行控制；第二种是利用PLC所带的软PID进行控制。对于有PLC的控制系统时，常采用第二种方式来实现恒压供水控制。
PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理如图3-2所示。
图3-2 PID控制原理图
PID的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。
3 水厂泵房高压变频调速恒压供水系统设计及应用
3.1 泵房恒压供水系统概述
某水厂泵房原设置有6套机泵，电机采用6KV高压电机，其中为5台大泵，型号相同24SH-9A,额定扬程61米，直线单列布置；后因生产需要加装了6#小泵20SH-9A,额定扬程59米，做调节水量用。该泵房日最高供水量为24.89万立方米，最低为17.99万立方米。开车通常状况为2大、2大1小，最高为3大（夏季高峰供水），最低为1大1小。
泵房运行情况表4-2
3.2 泵房恒压供水系统存在的问题
大泵额定扬程61米，小泵额定扬程59米，但实际多年运行在44-51米，偏离高效区，特别在夜间低压供水时。而且水泵配用电机功率过大，电机效率低。
供水时变化系数增大，造成水泵开关频次较多，特别是6#机泵最多是一个月内开关80次左右。电能消耗较大，机械损耗较为严重。
3.3 泵房恒压供水系统实现目标
（1）通过更换机泵解决目前水泵额定扬程偏高，运行效率较低的状况。
（2）通过加装高压变频器来减少开关车，减少电能损耗。
（3）通过安装PLC控制系统实现恒压供水，一步化开关车，数据监测等功能，便于生产调度管理。
3.4 泵房供水系统硬件选型
3.4.1 水泵选型
更换原有的6台水泵机组，新安装5台机组，机组型号为28SAP-10J，额定扬程50米，Q=4000m3/h。更换后泵房1#-5#机泵配置表4-3如下：
3.4.2 高压变频器选型
在选择变频器类型时，需要考虑的因素有： ①调速范围；②负载转矩的变动范围；③负载对机械特性的要求。同时需要对变频器容量进行计算核对。本系统根据以上选用原则变频器，选用两台10KV系列变频器型HARSVERT-06/105。
3.4.3 控制器及仪表选型
高压变频恒压供水系统的硬件组成包括：(1) PLC；(2)变频器、水泵机组；(3)触摸屏；(4) 在线压力检测仪；(5)控制柜，那么，该系统的电气控制框图如图4-4所示。
图4-4控制系统原理图
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此在选择PLC时，需要综合考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，故选择了SIEMENS公司的PLC产品S7-300。S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.1-0.6μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。触摸屏是本系统的人机界面，通过触摸屏操作人员可以和系统进行信息交流。触摸屏可以对系统的运行状态、水泵运行电流和电压、变频器的输出频率、真空泵和水泵机组的开启以及系统报警情况进行显示和操作；同时通过触摸屏可以进行压力的设定、选择系统的运行方式(自动/手动)，所以我们在选择触摸屏时，要考虑它与PLC通讯情况，PLC和触摸屏使用同一个厂家的。
3.5 高压变频恒压供水系统组成图及功能
图4-5变频恒压供水系统组成原理图
本文的变频调速恒压供水系统以五台水泵组成的供水系统为例，其原理框图如图4-5所示。该变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面等部分组成，为了增加系统的可靠性，在高压变频泵的主回路上增加了手动高压旁路，以备高压变频器的检修维护时投用。水泵机组处在PLC控制方式时，控制系统可选择三种控制水泵机组运行的模式：
单机运行：操作人员通过点动操作水泵机组中每个设备的运行状态，以完成水泵机组的开停过程；
组合运行：水泵机组开停过程一步化，操作人员通过组合指令，PLC自动完成水泵机组的开停过程，PLC可根据真空度信号，引水管水位信号，泵头压力信号，设备的状态信号等各种数据参数，判别水泵机组的工况，完成设备运行工况的转换或发出报警信号，启停水泵机组的运行；
自动运行：水泵机组的自动化运行，由PLC根据各种数据参数值，控制大小水泵机组的搭配运行或根据压力自动调节变频水泵机组的转速，实现恒压供水，同时，还以运行时间为投入运行的依据，均衡各水泵机组的使用时间。
3.6 高压变频恒压供水系统控制流程
整个控制系统中变频恒压供水是系统核心。变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵机组进行控制实现恒压供水目的。其需要完成的控制流程如图4-6所示。
图4-6 变频恒压供水系统控制流程图
恒压供水的目的就是要保证供水能力Qa适应用水需求变化。当供水能力Qa和用水需求之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力和用水需求量间的平衡[40]。在供水系统中，变频器、PID调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4-20mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，
自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下[41]：
（1）稳态运行：当供水能力Qa等于用水需求时，目标压力信号r和压力反馈信号y相等，偏差e=y-r=0，PID输出的控制增量△u=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。
（2）用水量增加时：当用水量增加，用水需求Qv大于供水能力时，水压下降，压力反馈信号y减少，偏差e=y-r<0，PID输出的控制增量△u >0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。
（3）用水量减少时：当用水量减少，用水需求量小于供水能力Qa，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e=y-r>0，PID输出的控制增量△u <0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，减弱供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。
4 恒压供水系统节能效果比较
系统改造后运行方式为：夜间及白天低峰时开2台车，其中1台为变频控制；高峰时开3台车，其中两台为变频控制。新水泵在3台并联运行，并通过变频其供水量范围在10000-12000m3/h（H=50米），最大量接近原来的3大的供水量范围12000-12600 m3/h，H=49-51米），下限供水量与现在2大1小工况相当；夜间及白天低峰时2台泵并联运行时，其供水能力高于原来2大（8060-8250 m3/h，H=45米）。水厂制水成本中有“三耗”（即电耗、矾耗和氯耗），电耗约占三耗总量的90%，直接制水成本大概为0.225元/吨，其中电耗占0.2元，矾耗占0.02元，氯耗占0.005元。送水泵房供水系统改造后,电能消耗有较明显的改善,节能效果明显,减少了供水成本.水泵在变频和工频两种方式运行下，变频运行时供水单位电耗比工频运行时供水单位电耗约节省了2%。现水厂日供水为20万吨，每日可节电1000多度，一年约省电365000度，节约成本约30万。
参考文献
[1]李焦明.高压变频恒压供水控制系统设计[J].电机与控制应用, 2008, 35(7):38-40.
[2]石磊，赵维佺高压变频器在恒压供水中的应用[J].变频器世界, 2005(2):62-63.
论文作者:袁小军
论文发表刊物:《江苏科技报》2016年12期
论文发表时间:2017/4/6
标签：水泵论文; 供水系统论文; 变频器论文; 机组论文; 压力论文; 泵房论文; 高压论文; 《江苏科技报》2016年12期论文;