介绍变频调速技术在小区供水系统中的设计运用

　　随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

　　变频调速技术已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接转矩控制（DTC）等。V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合；而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至变频空调、冰箱、洗衣机等家用电器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。现特结合设计应用体会阐述如下：

　　1. 系统基本情况

　　变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向，随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速，变极调速，直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。但由于受到使用环境，使用年限以及人为操作上的一些因数，变频器的使用寿命大为降低，同时在使用中也出现了各种各样的故障。

　　系统由变频器、数字调节器、可编程序控制器（PC）、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。其系统组成示意和接线分别见。

580)this.width=580" border=0>

　　。

580)this.width=580" border=0>

　　2. 系统控制功能

　　系统一般都具有以下控制功能：

　　（1） 水泵起停由PC控制，具备全循环软起动功能；

　　（2） 具有自动、手动切换和手动操作装置，不使用控制柜或控制柜出现故障时，可用手工操作使水泵直接在工频下运行；

　　（3） 控制水泵周期性自动交换使用，以期水泵寿命基本一致；

　　（4） 工作泵发生故障后自动切换至备用泵；

　　（5） 地下贮水池缺水后停泵保护，有故障显示功能；

　　（6） 供水系统中一般还设有一台小泵或气压罐，是为了适应小流量情况下的使用，系统能自动切换并控制；

　　（7） 具有自动用工频起动消防泵功能，或者自动变频以适应消防供水要求；

　　（8） 缺相、漏电、过载、瞬时断电保护等电气保护功能。

　　3. 系统在工程方案上的配合应用

　　在工程设计中，首先应该确定要对哪些水泵进行变频控制，以便在PC上预先进行程序设定。一般应分以下几种情况来考虑：

　　（1） 用水量随时间变化较小时：每天24h连续供水，且用水低时流量Qmin仍较大，这时可选用同型号同规格水泵，根据高峰用水量选取一用一备或多用一备方案，对全部水泵进行变频控制。

　　（2） 用水量随时间变化较大时：每天24h连续供水，但用水低时Qmin较小，这时可按Qmin选择一台小泵，代替大泵在Qmin远远小于Q1的情况下运行，主供水泵仍按前述方法选用。

　　（3） 断续用水的情况：在前述系统中加上气压罐装置，在正常使用时由变频调速泵供水，在流量Q?0时转换到气压罐供水，以提高供水效率。

　　（4） 小区规模较大时：可采用恒速泵与变频调速泵联合工作方式供水，这时对恒速水泵采用软起动器来对其进行起、停控制，整个控制系统采用“变频 + 软起动固定控制”的模式。

　　（5） 生活、消防泵合用的供水方式：某些安装了消防泵的小区，因设备长期备而不用，可靠性会降低，既增加了工程投资，资源利用率也低，电气控制应该做到：在PC上预先设定生活、消防两种工作压力值，平时作生活正常供水，设备运行在低水压状态，当发生火灾时，系统自动把水压切换到消防高压状态，管路上有能保证消防状态需要的压力、流量的装置。

　　4. 系统的设计选用

　　在进行小区供水系统设计时，选择变频调速系统的关键是要确定设备——变频器的型号规格。目前，变频器都还是以进口产品为主，并以欧、美、日本产品为代表。这其中需要考虑的因素较多，除了成本、性能档次、功能等基本要求外，一般还应从以下情况来综合分析确定：

　　（1） 需要控制的电机及变频器自身

　　*电机的极数。在同一个系统中，与水泵配套的电机，在功率相同的情况下，极数越多，漏抗就越小，尖峰电流值也就越大，一般电机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量就要适当加大。

　　*转矩特性、临界转矩、加速转矩。在变频控制正常运行情况下，水泵过载几率较小；同时，只要变频器能在短时间内产生10%的过载转矩，就足够用于电机加速，也就是说在同等电机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取。

　　*电磁兼容性。为减少主电源干扰，实际使用时可在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器，或者安装前置隔离变压器。

　　*运行时间及控制。根据电机的运行工作情况，变频器一般还应具备下列功能。

　　自动能量优化功能：在全工作范围内自动根据实际负载调整输出电压，使电机的效率提高，从而达到节能并降低噪声的目的。

　　电机自适应功能：在电机为静止状态时对其电气特性进行测试，一旦起动即可达到的起动特性和转矩特性。

　　自动降容功能：主要是当变频器所处的环境温度过高或者散热条件不足时的自动降容，以及主电源缺相时的自动降容。

　　自动加减速功能：防止变频器由于加减速时间设置不当所引起的不必要跳闸。

　　睡眠与唤醒功能：即当电机的运行对实际工况没有作用时自动关闭输出，电机停止运行；当需要工作时，不需要起动信号也可以自动重新起动电机。

　　* 与计算机连接、显示界面、可视化。一台高性能的数字变频器应该能为串口通信提供多种可选件，从而可以用集中安置的计算机对一台或多台变频调速器进行监测、编程及控制。

　　* 变频器应具有良好的对主电源短路和过电压的保护功能。

　　*变频器应具有良好的自我保护功能。如果系统安装于经常突然停电的场所，还应具有自动起动功能，在突然断电后，电网重新恢复时变频器不需要复位，自动起动功能能使系统继续投入工作。

　　*对于水泵类轻负载，变频器电流一般应按1.1IN（IN为电动机额定电流）来选择，或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的电机功率来选择。

　　（2） 主电源

　　*电源电压及波动。应特别注意与变频器低电压保护整定值相适应（出厂时一般设定为0.8 ~ 0.9UN），因为在实际使用中，电网电压偏低的可能性较大。

　　* 主电源频率波动和谐波干扰。这方面的干扰会增加变频器系统的热损耗，从而导致噪声增加，输出降低。

　　*变频器和电机在工作时，自身的功率消耗。在进行系统主电源供电设计时，两者的功率消耗因素都应考虑进去。

　　随着半导体技术的飞速发展，MCU的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。而现在变频驱动主要使用PWM合成驱动方式，这要求其控制器有很强的PWM生成能力。