1.概述

隨著電力技術的發(fā)展和變頻調速技術的完善，以變頻調速為核心技術的智能供水控制已經(jīng)取代了以前的多泵開關和閥門調節(jié)供水方式。變頻率調速起動電流可限定在額定電流范圍內，從而避免在起動時對電網(wǎng)的任何影響。水泵啟動平穩(wěn)，正常操作中的平均速度降低，從而延長水泵、閥等設備的使用壽命。同時，可以消除啟動和停機時的水錘效應。變頻器的性能穩(wěn)定，操作簡單，功能也得到提升，使供水系統(tǒng)節(jié)省能源、水和勞動力，最終達到高效運行的目的。

2.應用

加里寧格勒水廠主要負責加里寧格勒三大區(qū)的供水，共有三個供水站：1＃泵站，2＃泵站和3＃泵站。每個水站有幾個泵組成，采用主干管供水。頻率轉換前，為了滿足各區(qū)的供水和水壓，通過多個泵開關和閥門進行調節(jié)；每天水泵的啟停次數(shù)要求更加頻繁；現(xiàn)場操作極為不便；水壓力難以恒定保持。由于水泵常常在工作頻率直接啟動，會受到較大影響，??以致水泵和軸承需要頻繁維修。2009年，我們公司的技術人員測試現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)。根據(jù)這些運行參數(shù)，我們主張為每個水站加裝變頻器；變頻器的PID功能使得供水系統(tǒng)進行恒壓供水。2010年，我們在供水公司進行了頻率改進，解決頻繁啟停和高壓波動的問題�，F(xiàn)在，操作簡單，并且該系統(tǒng)投入運行后，節(jié)能效果顯著。如圖一所示。

3.恒壓供水的原理

在實際工程中，最廣泛使用的調節(jié)器控制的原理是比例控制、積分控制和差分控制，簡稱為PID控制，也被稱為PID調節(jié)。PID控制器，結構簡單，性能穩(wěn)定，操作可靠，調節(jié)方便，已成為工業(yè)控制重大技術之一。當控制對象的結構和參數(shù)不能完全掌控，精確的數(shù)學模型無法找到，或者控制理論的其它技術難以運用時，該系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須通過經(jīng)驗和現(xiàn)場試車來確定，最方便的就是應用PID控制技術。通過按比例、積分和差分計算出的控制量來加以控制。

(1)比例（P）控制

比例控制是最簡單的控制方法。控制器的輸出和輸入之間的誤差信號是相稱的。如果僅有一個比例控制，那么系統(tǒng)輸出則顯示一個穩(wěn)態(tài)誤差。

(2)積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出和輸入之間的誤差信號積分是相稱的。如果一個自動控制系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后顯示一個穩(wěn)態(tài)誤差，那么該控制系統(tǒng)則被認為是帶有穩(wěn)態(tài)誤差或誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制器必須引入“積分期”。該誤差的積分期取決于時間積分。隨著時間的增加，積分期也將增加。因此，即使誤差較小，積分期也將隨著時間的增加而增加。促使控制器輸出增加，同時減小穩(wěn)態(tài)誤差，直至為零。當系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，比例+積分（PI）控制器即會消除穩(wěn)態(tài)誤差。

(3)差分（D）控制

在差分控制中，控制器的輸出和輸入之間的誤差信號（即誤差變化率）的差分是相稱的。自動控制系統(tǒng)解決了在誤差校正處理中可能發(fā)生的振蕩不穩(wěn)定。理由是，有相對比較大的慣性模塊（相連）或滯后模塊，具有誤差抑制效果，其變動總是落后于誤差的變化。解決的辦法是“提前”抑制誤差變化；即，當誤差接近于零時，誤差抑制效果應為零。這意味著，只引入“比例”期往往是不夠的，因為比例期的效果是僅擴增誤差幅度。現(xiàn)在需要增加“差分期”，它可以預測誤差變化趨勢。所以比例+差分控制器可以把誤差抑制控制效果提前為零或負數(shù)，從而避免控制量的嚴重過載。對于大慣性或滯后被控對象，比例+差分（PD）控制器能改善系統(tǒng)調節(jié)過程中的動態(tài)特性。

為了保持該系統(tǒng)的一致控制量，請在控制量的位置安裝傳感器作為反饋元件。它會向控制器反饋控制量信號；控制器會對比反饋信號與給定信號，計算出調節(jié)量，從而控制受控對象，所以控制量總是保持在一定的范圍內。閉環(huán)控制圖如下：

閉環(huán)控制圖

4.設備選型和系統(tǒng)配置

基于參數(shù)和現(xiàn)場設備的工藝要求，結合我們公司CHH100系列高壓變頻器的功能特點，我們公司的技術人員給三個水泵站安裝了兩臺6kV/500kW高壓變頻器和一臺6kV/250kW高壓變頻器。主要技術參數(shù)如下：

根據(jù)現(xiàn)場條件，三臺CHH100系列高壓變頻器安裝在同一個房間。每臺變頻器控制三個泵站的一個電機的頻率。變頻器和現(xiàn)場電機的安裝請見下圖：

運行中的變頻器

運行中的電機

CHH100系列高壓變頻器具有內置PID功能，操作靈活�？刂七B接可采取多種模式，包括線連模式和通信模式。根據(jù)項目現(xiàn)場的實際情況，選擇了線連模式；變頻器通過操作柱遠程控制；系統(tǒng)的閉環(huán)和開環(huán)運行可以通過控制面板來選擇。變頻器控制界面和遠程操作柱請見下圖：

變頻器控制界面

遠程操作柱和測厚計

根據(jù)現(xiàn)場泵的特性和用戶的用水量的變化，結合CHH100系列高壓變頻器的功能特性，現(xiàn)場變頻器的PID相關參數(shù)設置如下：

5.節(jié)能效果

變頻器于2010年4月5日安裝完畢。按照現(xiàn)場生產要求，于4月8日對變頻器進行了試車并投入使用，4月11日-4月13日對水泵進行了電力節(jié)能測試。測試數(shù)據(jù)如下：

1)1#供水站水泵：

根據(jù)電表的實際讀數(shù)和兩天內的電網(wǎng)頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計算出該系統(tǒng)的節(jié)能情況。變頻改造后，1#供水站的綜合節(jié)能情況是：

每天節(jié)約電量=11160-8400kWH=2760kWH

節(jié)電率=（11160-8400）/21720×100%=24.73%

2)2#供水站水泵：

根據(jù)電表的實際讀數(shù)和兩天內的電網(wǎng)頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計算出該系統(tǒng)的節(jié)能情況。變頻改造后，2#供水站的綜合節(jié)能情況是：

每天節(jié)約電量=9360-6840kWH=2520kWH

節(jié)電率=（9360-6840）/9360×100%=26.92%

3)3#供水站水泵：

根據(jù)電表的實際讀數(shù)和兩天內的電網(wǎng)頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計算出該系統(tǒng)的節(jié)能情況。變頻改造后，3#供水站的綜合節(jié)能情況是：

每天節(jié)約電量=5280-3720kWH=1560kWH

節(jié)電率=（5280-3720）/5280×100%=29.55%

6.變頻的優(yōu)勢

1)功率因數(shù)增加：當原始電機直接以電網(wǎng)頻率運行時，滿載的功率因數(shù)約為0.84。而變頻系統(tǒng)，在電源側的功率因數(shù)可提高到0.95，并且能夠滿足在沒有無功功率補償裝置情況下的電網(wǎng)要求。這進一步節(jié)約了上游設備的運行成本。

2)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著：變頻器改進后，在滿足用戶要求的前提下，可設置一定的壓力來降低電機的耗電量。根據(jù)實際測試，泵站水泵的節(jié)電率達到24％以上。

3)設備操作簡單：變頻器改進并設置壓力后，操作簡單靈活，并能避免水泵的反復啟停。減少了對馬達和泵的影響，并且可以遠程監(jiān)控。

4)恒壓主管：通過遠程給定的壓力，該變頻器的輸出頻率可自動調節(jié)，以保持恒定的壓力。減少了主管中的壓力波動，防止了管網(wǎng)上啟動頻率的影響，避免了管網(wǎng)壓力超限，并提高了供水質量。

5)設備維護成本降低：變頻器改進后，啟動順暢，降低了對電機軸承的影響。在正常運行期間，大部分時間頻率在50Hz以下。減少了對機械系統(tǒng)的磨損，從而減少了對設備的維護；同時也延長了設備的使用壽命。