變頻調速技術在居住小區供水系統中的設計應用

隨著城市建設規模的不斷擴大和生活水平的提高，加上居住小區推行一戶一表供水以后，對市政管網供水的可靠性（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，采用調節水池加上變頻調速恒壓供水系統（以下簡稱系統）變量供水方式已顯現出極大的性。現特結合設計應用體會闡述如下：

1. 系統基本情況
系統由變頻器、數字調節器、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，是一種具有變頻調速和全自動閉環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速和閉環控制，其系統組成示意和一次接線分別見圖1

圖2：

2. 系統控制功能
系統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上預行程序設定。因為居住小區供水時變化系數較大，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連續供水，且用水低時流量Qmin仍較大，這時可選用同型號同規格水泵，根據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) 斷續用水的情況：在前述系統中加上氣壓罐裝置，在正常使用時由變頻調速泵供水，在流量Q?0時轉換到氣壓罐供水，以提高供水效率。
(4) 小區規模較大時：可采用恒速泵與變頻調速泵聯合工作方式供水，這時對恒速水泵采用軟起動器來對其進行起、停控制，整個控制系統采用“變頻 + 軟起動固定控制”的模式，在PC上減少控制點數，這無論從技術上、經濟上、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，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，當發生火災時，系統自動把水壓切換到消防高壓狀態，管路上有能保證消防狀態需要的壓力、流量的裝置。為考慮到選泵的經濟合理，這種方式一般是在高低水壓值相差不大的情況下采用。

4. 系統的設計選用
在進行小區供水系統設計時，選擇變頻調速系統的關鍵是要確定核心設備——變頻器的型號規格。目前，變頻器都還是以進口產品為主，并以歐、美、日本產品為代表。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。在同一個系統中，與水泵配套的電機，在功率相同的情況下，極數越多，漏抗就越小，尖峰電流值也就越大，一般電機極數以不多于4極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。
轉矩特性、臨界轉矩、加速轉矩。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）內產生10%的過載轉矩，就足夠用于電機加速，也就是說在同等電機功率情況下，相對于高過載轉矩模式，變頻器規格可以降額選取。
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。
自動能量優化功能：在全工作范圍內自動根據實際負載調整輸出電壓，使電機的效率提高，從而達到節能并降低噪聲的目的。
電機自適應功能：在電機為靜止狀態時對其電氣特性進行測試，一旦起動即可達到的起動特性和轉矩特性。
自動降容功能：主要是當變頻器所處的環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速器進行監測、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。如果系統安裝于經常突然停電的場所，還應具有自動起動功能，在突然斷電后，電網重新恢復時變頻器不需要復位，自動起動功能能使系統繼續投入工作。
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，或按廠家在產品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的電機功率來選擇。

(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。在進行系統主電源供電設計時，兩者的功率消耗因素都應考慮進去。