變頻調(diào)速技術在居住小區(qū)供水系統(tǒng)中的設計應用

隨著城市建設規(guī)模的不斷擴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施也逐漸增多。在這些加壓設施中，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)合設計應用體會闡述如下：
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、水泵電機及相關電氣控制設備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動閉環(huán)控制功能的機電一體化智能設備。它可同時對一臺或多臺三相380/220V、50/60Hz異步電動機進行變頻調(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)軟起動功能；
(2) 具有自動、手動切換和手動操作裝置，不使用控制柜或控制柜出現(xiàn)故障時，可用手工操作使水泵直接在工頻下運行；
(3) 控制水泵（包括備用泵）周期性自動交換使用，以期水泵壽命基本一致；
(4) 工作泵發(fā)生故障后自動切換至備用泵；
(5) 地下貯水池缺水后停泵保護，有故障顯示功能；
(6) 供水系統(tǒng)中一般還設有一臺小泵或氣壓罐，是為了適應小流量情況下（如夜間）的使用，系統(tǒng)能自動切換并控制；
(7) 具有自動用工頻起動消防泵功能，或者自動變頻以適應消防供水要求；
(8) 缺相、漏電、過載、瞬時斷電保護等電氣保護功能。
3. 系統(tǒng)在工程方案上的配合應用
在工程設計中，首先應該確定要對哪些水泵進行變頻控制，以便在PC上預先進行程序設定。因為居住小區(qū)供水時變化系數(shù)較大，因此，在變頻控制泵的選擇上，一般應分以下幾種情況來考慮：
(1) 用水量隨時間變化較小時：每天24h連續(xù)供水，且用水低時流量Qmin仍較大，這時可選用同型號同規(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，對全部水泵進行變頻控制。
(2) 用水量隨時間變化較大時：每天24h連續(xù)供水，但用水低時Qmin較小，這時可按Qmin選擇一臺小泵，代替大泵在Qmin遠遠小于Q1（Q1為單泵流量）的情況下運行，主供水泵仍按前述方法選用，這時也對全部水泵進行變頻控制。
(3) 斷續(xù)用水的情況：在前述系統(tǒng)中加上氣壓罐裝置，在正常使用時由變頻調(diào)速泵供水，在流量Q»0時轉(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：可采用恒速泵與變頻調(diào)速泵聯(lián)合工作方式供水，這時對恒速水泵采用軟起動器來對其進行起、停控制，整個控制系統(tǒng)采用“變頻 + 軟起動固定控制”的模式，在PC上減少控制點數(shù)，這無論從技術上、經(jīng)濟上、還是運行維護上來看，綜合效果都會更佳。
(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)，因設備長期備而不用，可靠性會降低，既增加了工程投資，資源利用率也低，這時可以使生活、消防泵合用。電氣控制應該做到：在PC上預先設定生活、消防兩種工作壓力值，平時作生活正常供水，設備運行在低水壓狀態(tài)，當發(fā)生火災時，系統(tǒng)自動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)的設計選用
在進行小區(qū)供水系統(tǒng)設計時，選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)的關鍵是要確定核心設備——變頻器的型號規(guī)格。目前，變頻器都還是以進口產(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，一般還應從以下情況來綜合分析確定：
(1) 需要控制的電機及變頻器自身
? 電機的極數(shù)。在同一個系統(tǒng)中，與水泵配套的電機，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，一般電機極數(shù)以不多于4極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。
? 轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在變頻控制正常運行情況下，水泵過載幾率較小；同時，只要變頻器能在短時間（一般是1min）內(nèi)產(chǎn)生10%的過載轉(zhuǎn)矩，就足夠用于電機加速，也就是說在同等電機功率情況下，相對于高過載轉(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，實際使用時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。一般當電機與變頻器距離超過50m時，應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。
? 運行時間及控制。根據(jù)電機的運行工作情況，變頻器一般還應具備下列功能。
自動能量優(yōu)化功能：在全工作范圍內(nèi)自動根據(jù)實際負載調(diào)整輸出電壓，使電機的效率提高，從而達到節(jié)能并降低噪聲的目的。
電機自適應功能：在電機為靜止狀態(tài)時對其電氣特性進行測試，一旦起動即可達到最佳的起動特性和轉(zhuǎn)矩特性。
自動降容功能：主要是當變頻器所處的環(huán)境溫度過高或者散熱條件不足時的自動降容，以及主電源缺相時的自動降容。
自動加減速功能：防止變頻器由于加減速時間設置不當所引起的不必要跳閘。
睡眠與喚醒功能：即當電機的運行對實際工況沒有作用時自動關閉輸出，電機停止運行；當需要工作時，不需要起動信號也可以自動重新起動電機。
? 與計算機連接、顯示界面、可視化。一臺高性能的數(shù)字變頻器應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算機對一臺或多臺變頻調(diào)速器進行監(jiān)測、編程及控制。
? 變頻器應具有良好的對主電源短路和過電壓的保護功能。
? 變頻器應具有良好的自我保護功能。如果系統(tǒng)安裝于經(jīng)常突然停電的場所，還應具有自動起動功能，在突然斷電后，電網(wǎng)重新恢復時變頻器不需要復位，自動起動功能能使系統(tǒng)繼續(xù)投入工作。
? 對于水泵類輕負載，變頻器電流一般應按1.1IN（IN為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇。
(2) 主電源
? 電源電壓及波動。應特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應（出廠時一般設定為0.8 ~ 0.9UN），因為在實際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。
? 主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統(tǒng)的熱損耗，從而導致噪聲增加，輸出降低。
? 變頻器和電機在工作時，自身的功率消耗。在進行系統(tǒng)主電源供電設計時，兩者的功率消耗因素都應考慮進去。