變頻調(diào)速技術(shù)在居住小區(qū)供水系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生活水平的提高，加上居住小區(qū)推行一戶一表供水以后，對(duì)市政管網(wǎng)供水的可靠性（壓力、流量）要求越來越高，各種分散或集中加壓設(shè)施也逐漸增多。在這些加壓設(shè)施中，采用調(diào)節(jié)水池加上變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）變量供水方式已顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。現(xiàn)特結(jié)合設(shè)計(jì)應(yīng)用體會(huì)闡述如下：
1. 系統(tǒng)基本情況
系統(tǒng)由變頻器、數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程序控制器（PC）、傳感器、水泵電機(jī)及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動(dòng)閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能設(shè)備。它可同時(shí)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)三相380/220V、50/60Hz異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和閉環(huán)控制，其系統(tǒng)組成示意和一次接線分別見圖1 、圖2 。

2. 系統(tǒng)控制功能
系統(tǒng)一般都具有以下控制功能：
(1) 水泵起停由PC控制，具備全循環(huán)軟起動(dòng)功能；
(2) 具有自動(dòng)、手動(dòng)切換和手動(dòng)操作裝置，不使用控制柜或控制柜出現(xiàn)故障時(shí)，可用手工操作使水泵直接在工頻下運(yùn)行；
(3) 控制水泵（包括備用泵）周期性自動(dòng)交換使用，以期水泵壽命基本一致；
(4) 工作泵發(fā)生故障后自動(dòng)切換至備用泵；
(5) 地下貯水池缺水后停泵保護(hù)，有故障顯示功能；
(6) 供水系統(tǒng)中一般還設(shè)有一臺(tái)小泵或氣壓罐，是為了適應(yīng)小流量情況下（如夜間）的使用，系統(tǒng)能自動(dòng)切換并控制；
(7) 具有自動(dòng)用工頻起動(dòng)消防泵功能，或者自動(dòng)變頻以適應(yīng)消防供水要求；
(8) 缺相、漏電、過載、瞬時(shí)斷電保護(hù)等電氣保護(hù)功能。
3. 系統(tǒng)在工程方案上的配合應(yīng)用
在工程設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該確定要對(duì)哪些水泵進(jìn)行變頻控制，以便在PC上預(yù)先進(jìn)行程序設(shè)定。因?yàn)榫幼⌒^(qū)供水時(shí)變化系數(shù)較大，因此，在變頻控制泵的選擇上，一般應(yīng)分以下幾種情況來考慮：
(1) 用水量隨時(shí)間變化較小時(shí)：每天24h連續(xù)供水，且用水低時(shí)流量Qmin仍較大，這時(shí)可選用同型號(hào)同規(guī)格水泵，根據(jù)高峰用水量選取一用一備或多用一備方案，對(duì)全部水泵進(jìn)行變頻控制。
(2) 用水量隨時(shí)間變化較大時(shí)：每天24h連續(xù)供水，但用水低時(shí)Qmin較小，這時(shí)可按Qmin選擇一臺(tái)小泵，代替大泵在Qmin遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q1（Q1為單泵流量）的情況下運(yùn)行，主供水泵仍按前述方法選用，這時(shí)也對(duì)全部水泵進(jìn)行變頻控制。
(3) 斷續(xù)用水的情況：在前述系統(tǒng)中加上氣壓罐裝置，在正常使用時(shí)由變頻調(diào)速泵供水，在流量Q»0時(shí)轉(zhuǎn)換到氣壓罐供水，以提高供水效率。
(4) 小區(qū)規(guī)模較大時(shí)：可采用恒速泵與變頻調(diào)速泵聯(lián)合工作方式供水，這時(shí)對(duì)恒速水泵采用軟起動(dòng)器來對(duì)其進(jìn)行起、停控制，整個(gè)控制系統(tǒng)采用“變頻 + 軟起動(dòng)固定控制”的模式，在PC上減少控制點(diǎn)數(shù)，這無論從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上、還是運(yùn)行維護(hù)上來看，綜合效果都會(huì)更佳。
(5) 生活、消防泵合用的供水方式：某些安裝了消防泵的小區(qū)，因設(shè)備長(zhǎng)期備而不用，可靠性會(huì)降低，既增加了工程投資，資源利用率也低，這時(shí)可以使生活、消防泵合用。電氣控制應(yīng)該做到：在PC上預(yù)先設(shè)定生活、消防兩種工作壓力值，平時(shí)作生活正常供水，設(shè)備運(yùn)行在低水壓狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)把水壓切換到消防高壓狀態(tài)，管路上有能保證消防狀態(tài)需要的壓力、流量的裝置。為考慮到選泵的經(jīng)濟(jì)合理，這種方式一般是在高低水壓值相差不大的情況下采用。
4. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用
在進(jìn)行小區(qū)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵是要確定核心設(shè)備——變頻器的型號(hào)規(guī)格。目前，變頻器都還是以進(jìn)口產(chǎn)品為主，并以歐、美、日本產(chǎn)品為代表。這其中需要考慮的因素較多，除了成本、性能檔次、功能等基本要求外，一般還應(yīng)從以下情況來綜合分析確定：
(1) 需要控制的電機(jī)及變頻器自身
? 電機(jī)的極數(shù)。在同一個(gè)系統(tǒng)中，與水泵配套的電機(jī)，在功率相同的情況下，極數(shù)越多，漏抗就越小，尖峰電流值也就越大，一般電機(jī)極數(shù)以不多于4極為宜，否則變頻器容量就要適當(dāng)加大。
? 轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在變頻控制正常運(yùn)行情況下，水泵過載幾率較小；同時(shí)，只要變頻器能在短時(shí)間（一般是1min）內(nèi)產(chǎn)生10%的過載轉(zhuǎn)矩，就足夠用于電機(jī)加速，也就是說在同等電機(jī)功率情況下，相對(duì)于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取。
? 電磁兼容性。為減少主電源干擾，實(shí)際使用時(shí)可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或者安裝前置隔離變壓器。一般當(dāng)電機(jī)與變頻器距離超過50m時(shí)，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。
? 運(yùn)行時(shí)間及控制。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行工作情況，變頻器一般還應(yīng)具備下列功能。
自動(dòng)能量?jī)?yōu)化功能：在全工作范圍內(nèi)自動(dòng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載調(diào)整輸出電壓，使電機(jī)的效率提高，從而達(dá)到節(jié)能并降低噪聲的目的。
電機(jī)自適應(yīng)功能：在電機(jī)為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)其電氣特性進(jìn)行測(cè)試，一旦起動(dòng)即可達(dá)到最佳的起動(dòng)特性和轉(zhuǎn)矩特性。
自動(dòng)降容功能：主要是當(dāng)變頻器所處的環(huán)境溫度過高或者散熱條件不足時(shí)的自動(dòng)降容，以及主電源缺相時(shí)的自動(dòng)降容。
自動(dòng)加減速功能：防止變頻器由于加減速時(shí)間設(shè)置不當(dāng)所引起的不必要跳閘。
睡眠與喚醒功能：即當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行對(duì)實(shí)際工況沒有作用時(shí)自動(dòng)關(guān)閉輸出，電機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)需要工作時(shí)，不需要起動(dòng)信號(hào)也可以自動(dòng)重新起動(dòng)電機(jī)。
? 與計(jì)算機(jī)連接、顯示界面、可視化。一臺(tái)高性能的數(shù)字變頻器應(yīng)該能為串口通信提供多種可選件，從而可以用集中安置的計(jì)算機(jī)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)變頻調(diào)速器進(jìn)行監(jiān)測(cè)、編程及控制。
? 變頻器應(yīng)具有良好的對(duì)主電源短路和過電壓的保護(hù)功能。
? 變頻器應(yīng)具有良好的自我保護(hù)功能。如果系統(tǒng)安裝于經(jīng)常突然停電的場(chǎng)所，還應(yīng)具有自動(dòng)起動(dòng)功能，在突然斷電后，電網(wǎng)重新恢復(fù)時(shí)變頻器不需要復(fù)位，自動(dòng)起動(dòng)功能能使系統(tǒng)繼續(xù)投入工作。
? 對(duì)于水泵類輕負(fù)載，變頻器電流一般應(yīng)按1.1IN（IN為電動(dòng)機(jī)額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標(biāo)明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機(jī)功率來選擇。
(2) 主電源
? 電源電壓及波動(dòng)。應(yīng)特別注意與變頻器低電壓保護(hù)整定值相適應(yīng)（出廠時(shí)一般設(shè)定為0.8 ~ 0.9UN），因?yàn)樵趯?shí)際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。
? 主電源頻率波動(dòng)和諧波干擾。這方面的干擾會(huì)增加變頻器系統(tǒng)的熱損耗，從而導(dǎo)致噪聲增加，輸出降低。
? 變頻器和電機(jī)在工作時(shí)，自身的功率消耗。在進(jìn)行系統(tǒng)主電源供電設(shè)計(jì)時(shí)，兩者的功率消耗因素都應(yīng)考慮進(jìn)去。