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變頻器在小城市生活供水系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要 本論文針對小城市的發(fā)展情況以及居民生活用水的分析，通過對蓬安縣的最高樓的使用概況具體分析，利用變頻器在恒壓供水方面的優(yōu)良表現(xiàn)設(shè)計出對生活供水進行變頻控制的控制系統(tǒng)，并能通過簡單地修改參數(shù)實現(xiàn)對其他小區(qū)或高樓供水系統(tǒng)進行推廣，以達到節(jié)能和提高人們生活水平的目的。關(guān)鍵詞 恒壓供水，變頻器1 緒論變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性。據(jù)預(yù)測，到 2050 年中國的中小城市數(shù)量將突破 2000 個。我國中小城市飛速發(fā)展的模式是與我們的國情相適應(yīng)的 ［1］ 。傳統(tǒng)的供水方式有：一臺恒速泵直接供水、恒速泵加水塔的供水方式、恒速泵加高位水箱的供水方式、恒速泵加氣壓罐供水方式，不能適應(yīng)城市的發(fā)展。本課題是是以我的家鄉(xiāng)四川蓬安縣為研究對象，通過對蓬安最高的世紀廣場電梯公寓的分析，將變頻器應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)。本論文的研究主要內(nèi)容如下：1) 本課題的應(yīng)用前景分析；2) 變頻恒壓供水可行性分析；3) 對被控制對象各項參數(shù)進行采集并加以分析；4) 根據(jù) 3)的分析對電機，泵以及變頻器進行選型，做到能夠完全滿足需要又不浪費；5) 對相關(guān)的安全保護裝置進行選型以及對變頻器進行參數(shù)調(diào)節(jié)，保證設(shè)備能夠安全，高效地運行。2 變頻器原理及其在恒壓供水中的應(yīng)用2.1 異步電動機概述(1) 異步電動機基本工作原理異步電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速 n 不能等于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 n1,所以說，異步電動機運行的必要條件是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間存在差異 [3]。(2)異步電動機的調(diào)速由異步電動機的轉(zhuǎn)速關(guān)系式 ［4］ 可得式(2.1)說明，異步電動機可通過改變轉(zhuǎn)差率 s、極對數(shù) p 及電源頻率 f1 來調(diào)速。當頻率下降時總希望主磁通保持不變，這時可使電源端電壓隨頻率下降而同時下降，即電壓與式(2.1)1160()()fn???頻率成正比例地變化，因此對變頻電源提出了調(diào)頻的同時也應(yīng)調(diào)壓的要求 ［4］ 。2.2 變頻器概述目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖 2-1 所示的基本結(jié)構(gòu)。按變頻器技術(shù)的發(fā)展過程可以分為 V/f 控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制 ［7］［8］ 方式三種；按用途分為通用變頻器和特種變頻器 ［9］ 。2.3 供水系統(tǒng)的特點供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性如圖 2-2 所示。H(m)HA 3(/)Qmh圖 2-2 供水系統(tǒng)的基本特性 ［10］揚程特性管阻特性A當把供水控制在供水系統(tǒng)的工作點時，既能滿足人們的需求，又能節(jié)約資源，能延長管網(wǎng)及用水設(shè)備的使用壽命。供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率 PG(KW)稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比：式中：C P—比例常數(shù)HT—閥門在某一開度下，全揚程與流量間的關(guān)系曲線 HT=f(Q)，即管阻特性曲線[1]PTCQ?圖 2-1 變頻器的基本構(gòu)成 [5]整流電路 中間直流電路 逆變電路控制電路頻率和電壓可調(diào)的交流電交流電(商用電源)3 世紀廣場電梯公寓生活供水系統(tǒng)的分析3.1 被控對象概述世紀廣場電梯公寓為現(xiàn)今蓬安縣的最高樓，21 層，無地下室或車庫。1～2 樓為相如鎮(zhèn)衛(wèi)生院一、二樓之間設(shè)有男女廁所各一個，廁所中蹲位 5 個，有手動沖廁設(shè)備，男女廁共計 10 個。廁所外有洗手水龍頭共 3 個，病床 40 張。3～21 層為居民住宿，每層八套，大小相同，建筑面積 102.38 平方米，使用面積為 78 平方米。整棟樓共有水龍頭 773 個。3.2 供水系統(tǒng)流量及揚程的計算3.2.1 供水系統(tǒng)流量的計算(1) 各類建筑生活用水量各類建筑最高日生活用水量，應(yīng)按下式計算：式中 m—設(shè)計單位數(shù)(人、床、輛、米 2 等) ；qd—單位用水量標準(升/人·日、升 /床·日、升/輛·日、升/米 2·日等) ，根據(jù)住宅生活用水量標準及小時變化系數(shù)表、公共建筑的生活用水量標準及小時變化系數(shù)表、居住區(qū)生活用水量標準表以及醫(yī)院生活綜合用水量表進行選擇。在本論文中，因為下層為醫(yī)院，上層為住宅，需要分別按不同建筑的用水量標準，計算各自最高生活用水量，然后將同時用水量疊加，取最大一組用水量作為整個建筑的最高日生活用水量。取該醫(yī)院的生活用水量標準為 200L，因此 。31402/8()dQ???米 /日結(jié)合當?shù)厍闆r，設(shè)每戶人口數(shù)為 4 人，取用水標準為 140L，則總單位數(shù)為：8419608m??得居民用水情況為： 32/5.12(/)dQ?米 日因此總用水量： 35/?米 日(2) 最大小時生活用水量最大小時生活用水量應(yīng)根據(jù)最高日或最大班生活用水量、每天(或最大班) 使用時間和小時變化系數(shù)進行計算：式中 QA—最大小時用水量(米 3/時)Qd—最高日用水量(米 3/日) 或最大班用水量(米 3/班)T—每天或最大班使用時間(時或時/班)K—小時變化系數(shù)，參見（ 1）中的參數(shù)表。取 11(m3/h)85.12/482.0/.6A????(3) 根據(jù)水龍頭的最大流量計算總流量(米 3/日) 式(3-1)10dmqQ?式(3.2)dAKQT?根據(jù)《節(jié)水型生活用水器具》中的相關(guān)規(guī)定，可計算出： 310%73965(/min)417.2(/)Qlh????由(2)和(3)計算的值相差很大，后者是前者的近 40 倍，有一個是不合理的。下面我進行簡單的分析，以便取相對正確的值。先分析(3)，(3)計算成立的條件是假設(shè)的前提條件是不科學(xué)的。其中：q g—計算管段的設(shè)計秒流量U—計算管段的衛(wèi)生器具給水當量同時出流概率Ng—計算管段的衛(wèi)生器具給水當量總數(shù)0.2—以 1 個衛(wèi)生器具給水當量的額定流量的數(shù)值，其單位為 L/s采用 2)計算所得的數(shù)據(jù)，完成能夠滿足單個建筑用水量的要求。3.2.2 供水系統(tǒng)揚程的確定(1)生活飲用水管網(wǎng)的設(shè)計水壓( 最小服務(wù)水頭)應(yīng)根據(jù)建筑層數(shù)確定為：一層為10m，2 層為 12m，二層以上每增高一層增加 4m。(2)當供水范圍較遠時，應(yīng)考慮管路的揚程損失和局部揚程損失。本樓的揚程計算如下：取 93m1.05(2419)2.H????3.2.3 流量與揚程的最終確定此兩數(shù)據(jù)是選取設(shè)備的最重要的兩數(shù)據(jù)，流量是選泵的重要性能數(shù)據(jù)之一，它直接關(guān)系到整個裝置的的生產(chǎn)能力和輸送能力。流量取值為 11m3/h，揚程取 93m。4 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備的選型根據(jù)比較眾多的設(shè)計方案，采取分區(qū)供水，無負壓變頻恒壓供水最經(jīng)濟，可靠性最高。4.1 分區(qū)供水的可行性分析[13]0.2ggqUN?一區(qū)二區(qū)三區(qū)圖 4-1 分區(qū)情況水泵調(diào)節(jié)罐及公共管網(wǎng)1 2 3 4其中泵 1 控制一區(qū)，泵 2 控制二區(qū)，泵 3 控制三區(qū)，泵 4 為備用泵。4.2 無負壓變頻調(diào)速恒壓供水無負壓變頻調(diào)速恒壓供水與一般的變頻恒壓給水設(shè)備有以下優(yōu)點(見表 4-1)。表 4-1［16］ 無負壓變頻恒壓與變頻恒壓的比較比較名稱 無負壓變頻恒壓供水設(shè)備 變頻恒壓給水設(shè)備基礎(chǔ)建設(shè) 不用建水池、水箱，基礎(chǔ)投資少需建地下水池或不銹鋼水箱，基礎(chǔ)投資較大水質(zhì)污染 綠色環(huán)保型，全封閉，無污染 地下水池存在少量的二次供水污染相同用戶水泵功率利用原管網(wǎng)水壓，水泵運行功率小，節(jié)能更多原管網(wǎng)水壓不能利用，水泵運行功率相對偏大供水流量流量小時，通過旁通管供水，無需啟泵，節(jié)水，全封閉系統(tǒng)無滲漏，不需維護水池零星流量時，輔泵與氣壓罐交替工作，啟動輔泵組成 調(diào)節(jié)罐，水泵，智能控制系統(tǒng) 地下水池，水泵，智能控制系統(tǒng)特點 無負壓管網(wǎng)疊壓，變頻恒壓控制 變頻恒壓用電節(jié)能 節(jié)能 50%以上 節(jié)能 30%以上占地面積 結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，空間利用率高 需地下水池，較大的占地面積無負壓變頻恒壓供水系統(tǒng)是在變頻恒壓供水設(shè)備上發(fā)展起來的，它主要由無負壓調(diào)節(jié)罐、水泵、氣壓罐、智能控制系統(tǒng)等組成。它較變頻恒壓供水系統(tǒng)多了無負壓調(diào)節(jié)罐及其相關(guān)調(diào)節(jié)檢查設(shè)備，如圖 4-2 所示。真空消除器它是本設(shè)備的核心，依靠它消除管網(wǎng)中負壓，從而不影響周圍用水，保護管網(wǎng)與設(shè)備，達到市政供水的要求。-我將調(diào)節(jié)罐及相關(guān)設(shè)備與水泵，變頻器及控制電路分別考慮，整合成一實用的系統(tǒng)。自來水管網(wǎng)真空消除器加壓水泵加壓水泵圖 4-2 無負壓變頻恒壓供水的特有設(shè)備調(diào)節(jié)罐液位探測器4.3 恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的工作原理變頻調(diào)速控制是恒壓供水系統(tǒng)的核心部分，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 4-3 所示，其中與虛線框起部分為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，如圖 4-2 所示。其中控制器一般由 PLC、DSP(專用數(shù)子信號處理器)或單片機構(gòu)成的電路組成。水泵傳感器圖 4-3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖水源變頻器外部電網(wǎng)用戶4控制器止回閥閥門圖 4-3 為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。用戶所需水壓由水泵電動機提供，而水泵的輸出是由電機的轉(zhuǎn)速控制，變頻器通過調(diào)節(jié)電機的輸入頻率而達到調(diào)速最終實現(xiàn)恒壓供水的目的。4.4 方案設(shè)計控制方式采用圖 4-4 可編程控制器構(gòu)成的反饋回路進行控制。圖 4-4 可編程控制器控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)方案圖4.5 系統(tǒng)主要配置的選型4.5.1 水泵機組的選型根據(jù)系統(tǒng)要求的流量為 11m3/h、揚程為 93m，我采用四臺相同的泵機組。型號及參數(shù)見表 4-2。表 4-2 水泵機組參數(shù)級數(shù) 型號數(shù)量 系列名稱流量 （m 3/h）揚程（m） 吸程額定電流（A）電機功率（kw）生產(chǎn)廠家主泵機組 7 50ALGDL12-15*7 3立式多級管道泵 12 105 7 15 7.5上海奧力泵閥制造有限公司備用泵 7 50ALGDL12-15*7 1立式多級管道泵 12 105 7 15 7.5上海奧力泵閥制造有限公司4.5.2 變頻器的選型根據(jù)所選的電機的單機功率為 7.5kw，四臺總功率為 30kw。我選擇的變頻器是三菱的型號為 RFR-A540-37K-CH。其參數(shù)見表 4-3。表 4-3 RFR-A540-37K-CH 的技術(shù)參數(shù) ［17］最大輸出功率(kw)(注 1) 37額定容量(kVA(注 2) 54額定電流(A) 71過載能力(注 3) 150%60 秒 200%0.5 秒電壓( 注 4) 三相，380V 至 480V 50Hz/60Hz最大值/時間 20%(注 5)輸出再生制動轉(zhuǎn)矩 允許使用率 連續(xù)( 注 5)額定輸入交流電壓，頻率 三相，380V 至 480V 50Hz/60Hz交流電壓允許波動范圍 323V 至 528V 50Hz/60Hz允許頻率波動范圍 ±5%電源電源容量(kVA)(注 6) 66保護結(jié)構(gòu)(JEM 1030) 開放型(IP00)冷卻方式 強制風(fēng)冷大約重量(Kg) 35控制電路流量檢測過流保護裝置變頻器熔斷器電網(wǎng)圖 5-1 電路接線簡圖至用戶PM熔斷器5 電機和變頻器的保護以及變頻器的調(diào)試5.1 電路接線圖根據(jù)前面的分析，作出電路接線簡圖(見圖 5-1)。圖中的電機是指電機組，不是指某一臺電機。由上圖可以看出，保護裝置必須要選擇熔斷器和過流保護裝置，另外還要選擇用于測試流量的壓力傳感器。5.2 保護裝置5.2.1 確定過流保護裝置過流保護裝置選擇的是 HQB-20A 電動機過流保護器，其保護特性見表 5.1表 5.1 HQB-20A 電動機過流保護器保護功能 動作時間 動作條件過電流 240 秒內(nèi) 工作電流≥設(shè)定電流1.2 倍，反時限動作斷相 2 秒內(nèi) 一相或二相斷開本論文中該過流保護器設(shè)定電流為 15A，動作時間設(shè)為 20 秒( 此動作時間是考慮當啟動時電流一般為額定電流的 4～10 倍，為避免保護裝置動作造成對生產(chǎn)的影響，啟動時間與啟動方式有關(guān)，此處假設(shè)為硬啟動時間)。5.2.2 確定熔斷器(1) 應(yīng)根據(jù)不同的使用場合選擇熔斷器的類型。根據(jù)圖 5-1，我們主要是保護變頻器，電動機和控制電路。保護變頻器一般用刀型觸頭熔斷器，電動機保護一般用螺旋式熔斷器,保護控制電路則應(yīng)選擇半導(dǎo)體保護用快速式熔斷器。用于保護變頻器的熔斷器應(yīng)選用刀型觸頭式，因該變頻器的額定電流為 71A，故我選擇 RDT16-160 500，該熔斷器的底座額定電流為 160， ，額定電壓為 500V，熔斷體額定電流設(shè)為 80A。(2) 確定熔斷器的額定電流1) 對于變壓器、電爐和照明等負載，熔體的額定電流應(yīng)略大于或等于負載電流。2) 在電動機回路中用作短路保護時，應(yīng)考慮電動機的啟動條件，按電動機啟動時間的長短來選擇熔體的額定電流。該電機若用硬啟動，啟動電流為額定電流的 7 倍， ，故啟動電流150stIA??熔體的額定電流為 ，選擇螺旋式熔斷器 RL1-60，該熔斷器額定電流為 60A，熔35~42A斷體額定電流選擇 40A 的。5.3 確定流量檢測裝置該流量檢測裝置由傳感器和信號轉(zhuǎn)換器組成。該流量檢測裝置由傳感器 MAG1100 和信號轉(zhuǎn)換器 MAG5000 以及電源，輸入電路模塊，數(shù)字信號處理器等組成。5.4 變頻器的調(diào)試在進行參數(shù)設(shè)定時，參考三菱通用變頻器的相關(guān)調(diào)試方法 ［18］ 。主要需要設(shè)定的參數(shù)見表 5-2。(1) 頻率的設(shè)定對于風(fēng)機泵類上限頻率設(shè)為 45Hz,下限頻率設(shè)為 15～25 之間，首先將參數(shù)號 1 設(shè)為45，再將參數(shù)號 2 設(shè)為 20。表 5-2 主要希望設(shè)定的參數(shù)參數(shù)號 名稱 應(yīng)用1 上限頻率2 下限頻率 用于設(shè)定最大和最小輸出頻率7 加速時間8 減速時間 用于設(shè)定加/減速時間9 電子過電流保護 設(shè)定電子過電流保護的值，防止電機過熱14 適用負荷選擇 選擇與負荷特性最適宜的輸出特性71 適用電機 按使用電機設(shè)定電子過電流保護熱繼電器的特 性73 0-5v/0-10v 選擇 選擇輸入端子 2-5 頻率設(shè)定信號的電壓輸入規(guī)格(2) 減速時間的確定按照一般的經(jīng)驗，將參數(shù) 7 設(shè)為一分鐘，將參數(shù) 8 設(shè)為 1.5 分鐘。(3) 過電流保護設(shè)置考慮到啟動電流較大，并且電機又有熔斷器和過電流保護裝置，在這里，將參數(shù) 9 設(shè)為 110A(進行熔斷器選擇時選擇的起動電流為額定電流的 7 倍，即 105A)。(4) 適用負荷選擇該型號變頻器參數(shù) 14 默認值為 1，為變轉(zhuǎn)矩負載，適合泵的使用，不用更改。(5) 適用電機選擇參數(shù)號 71 出廠設(shè)定值為 0，電子過電流保護特性為適合標準電機的熱特性，不用更改。(6) 電壓輸入選擇參數(shù)號 73 可以選擇模擬輸入端子的規(guī)格，超調(diào)功能和靠輸入信號的極性變換電機的正反轉(zhuǎn)。出廠參數(shù)號 73 設(shè)定值為 1，表示端子 2 輸入電壓為 0 到 5V，端子 1 輸入電壓為 0到±10V ，這里應(yīng)根據(jù)反饋控制電路的特性決定，如果是用單片機組成的反饋控制電路，一般要設(shè)置為 3，即將端子 1 輸入電壓設(shè)為 0 到±5V。以上有的數(shù)據(jù)在進行測試時可作相應(yīng)調(diào)整。6 結(jié) 論本論文針對目前小城市供水系統(tǒng)的缺點，因為研究的起點為該縣的最高樓，所以只需對一些參數(shù)進行變動，就能應(yīng)用于其他低一些的樓或小區(qū)，基本上解決了小城市中的供水問題。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：(1) 起點較高，系統(tǒng)的可移植性高。(2) 實現(xiàn)了恒壓供水，提高了供水質(zhì)量，有利于人們生活水平的提高，同時節(jié)約了能源，有利于可持續(xù)發(fā)展。(3) 應(yīng)用了可編程控制器，實現(xiàn)了連續(xù)調(diào)節(jié)，有力地保障了供水系統(tǒng)的供水質(zhì)量。盡管如此，本系統(tǒng)還有一些缺點：(1) 采用的無負壓恒壓供水中使用的調(diào)節(jié)罐必須與系統(tǒng)中采用的泵相匹配，沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品，需定制，成本較高。(2) 在分的三個區(qū)中，到每個區(qū)的管道相互獨立，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但提高了成本。展望：現(xiàn)在實現(xiàn)了實時的恒壓供水系統(tǒng)，將來還可以將整個供水系統(tǒng)的各項參數(shù)通過與上位機的管理系統(tǒng)相連，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控。甚至將各個小區(qū)的上位機組成一個網(wǎng)絡(luò)，乃至全國城市組成一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全國供水系統(tǒng)的實時監(jiān)控和故障的快速排除。參 考 文 獻[1] 劉貴利.中小城市 總體規(guī)劃解析[M].東南大學(xué)出版社.2005 年 9 月:14[2] 崔金貴.變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討[D].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報.2000 年 1 期: 84～88[3] 葉水音主 編.電機學(xué)[M]. 中國電力出版社.2005 年 2 月:113[4] Power Electronics Handbook,By Muhammad Rashid,University of West Florida, 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After the analysis of the highest building in Peng’an country, a control system of water supply for this building was designed, which was consisted of VVVF inverter because the inverter has a outstanding performance in the constant pressure water supply. This control system has the advantage of energy saving, and it can improve the people’s living standard, and it can be applied in other district or high building by simply modify the parameters.Key words Constant pressure water supply, inverter