變頻器在自動化水廠中的應用
據(jù)統(tǒng)計，我國的發(fā)電總量的70%左右消耗在電動機上，風機、水泵消耗我國發(fā)電總量的40%左右。用電機變頻調(diào)速來代替原有閥門調(diào)節(jié)流量，我國每年可節(jié)約用電300－400×10e8 KWh億千瓦小時。在自來水行業(yè)，變頻器主要應用在取水泵房、送水泵房，除了可以節(jié)電，還可以平滑調(diào)節(jié)取水流量、送水壓力，滿足制水、供水工藝要求。
1、變頻器在自動化水廠的軟、硬件設(shè)置 在大部分新建、改建的自動化水廠的取水泵房及送水泵房，一般都配備了變頻器，用來降低電耗、改善工藝條件。變頻器的控制方式一般具備就地手動與PLC自動兩種運行模式，通過現(xiàn)場控制箱可以切換。下面以水廠為例說明在自動化水廠變頻器應用中軟、硬件設(shè)置的一些方法。
現(xiàn)舉例某水廠引進的變頻器為西門子公司生產(chǎn)的系列變頻器。供水泵房配備4臺變頻機組，向城市管網(wǎng)供水。每臺變頻機組配備一臺變頻變壓器，一次側(cè)電壓為6KV。二次側(cè)電壓為690V。變頻器自身損耗為額定功率的3%左右。
變頻器有6個數(shù)字量輸入，3個模擬量輸入，3個數(shù)字量輸出，2個模擬量輸出。通過變頻器軟件設(shè)置，數(shù)字量輸入口1作為就地手動的“開/停”控制，數(shù)字量輸入口2作為“就地手動/PLC自動”切換控制，數(shù)字量輸入口3作為就地手動的“增速”控制，數(shù)字量輸入口4作為就地手動的“減速”控制，數(shù)字量輸入口5作為“故障緊急停車”控制，數(shù)字量輸入口6作為PLC自動的“開/停”控制，模擬量輸入口2作為PLC自動的“頻率”控制。數(shù)字量輸出口1為”準備”信號，數(shù)字量輸出口2為變頻器“運行”信號，數(shù)字量輸出口3為變頻器“故障”信號，模擬量輸出口1為變頻器“轉(zhuǎn)速”信號。這樣可以實現(xiàn)變頻器的手動或自動運行，并對變頻器的相關(guān)運行數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。這是一個泵站水戰(zhàn)機組監(jiān)控設(shè)置，由于現(xiàn)狀是千變?nèi)f化的，要因地制宜進行設(shè)置。
西門子公司SINSMICSG150等系列變頻器軟件具備以下主要功能：過流保護、Vdemax控制器可自動防止直流側(cè)過壓保護，直流側(cè)欠壓保護，電源模塊過溫保護，短路保護，輸入缺相保護，環(huán)境溫度檢測等。編程軟件具備以下主要功能：控制信號檢測、面板丟失處理-，電機熱保護、堵轉(zhuǎn)保護、缺相保護、接地故障保護、電流和轉(zhuǎn)矩限制、臨界頻率鎖定等。自動重新啟動，可以再快速啟動，可允許變頻器與旋轉(zhuǎn)的電機連接。特別要指出的是：用西門子公司G150等系列變頻器，可以很方便地在內(nèi)部和外部進行監(jiān)控，通過PROFIBUS或PROFINET工業(yè)以態(tài)網(wǎng)的接口和客戶端子板的模擬量輸入進行監(jiān)控，可在網(wǎng)上任何點進行監(jiān)控。
2、變頻器在自動化水廠送水泵房的應用變頻器在自動化水廠送水泵房中，使用變頻器的只要目的是用來降低電耗、平滑調(diào)節(jié)出廠水壓力。通過自控系統(tǒng)的PLC或利用變頻器本身的PLD調(diào)節(jié)，可以讓變頻器自動調(diào)速，恒壓供水，實現(xiàn)送水泵房的無人值守，提高生產(chǎn)效率及安全性。下面以某水廠為例說明變頻器在送水泵房的一些應用。
某水廠在送水泵房采用SINAMICS G150系列變頻器，PLC采用西門子公司的S7-200/300/400可編程控制器（根據(jù)監(jiān)內(nèi)容的多少來選擇）。出水總管上配備E+H公司的PMG133壓力傳感器，將實際出廠水壓力信號輸入PLC。中控室值班員根據(jù)公司中心調(diào)度室指令將標準出廠水壓力值通過計算機人機界面輸入PLC中。PLC可根據(jù)標準出廠水壓力值與實際出廠水壓力值之間的差值計算所需的頻率值，并將該值輸出到變頻器的模擬量輸入口，以變頻器改變頻率，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)整出廠水壓力。進行閉環(huán)控制之目的。
3、變頻器在自動化水廠取水泵房的應用在自動化取水泵房中，使用變頻器的主要目的就是用來降低電耗，平滑調(diào)節(jié)取水流量。通過自控系統(tǒng)的PLC或利用變頻器本身的PLD調(diào)節(jié)，可以讓變頻器自動調(diào)速，保持清水池水位穩(wěn)定，實現(xiàn)取水泵房的無人值守，高效、優(yōu)質(zhì)供水。
在自動化水廠取水泵房變頻器的控制設(shè)計上，一般由清水池水位直接控制變頻器的頻率和送水泵房出廠水壓力控制送水泵房變頻器相比，改變送水泵房變頻器頻率可以立即影響出廠水壓力，而改變?nèi)∷梅孔冾l器頻率對清水池水位變化的時間滯后較大，同時絮疑池排泥、平流池排泥、濾池反沖洗、出廠水流量變化對清水池水位都有較大影響，因此用清水池水位直接控制取水泵房水泵機組調(diào)速節(jié)能的方法不盡人意。有的水廠在控制上采取了部分簡化，將清水池水位分段控制變頻器頻率，但使用效果不理想。下面談?wù)勅∷梅孔冾l器控制的一些想法。
在取水泵房變頻器控制系統(tǒng)中，由技術(shù)人員通過計算機人機界面將清水池標準水位值輸入PLC，PLC自動根據(jù)清水池標準水位值與實際水位值之間的差值通過PID運算得出的標準進水流量。PLC根據(jù)清水池標準進水流量與實際清水池進水流量的差值計算所需的頻率值，將該值輸出到變頻器的模擬量輸入口，變頻器則改變頻率，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整清水池進水流量合乎要求。清水池水位作為被控變量，水位控制器作為住控制器，該系統(tǒng)有主、副兩個被控變量，主副兩個控制器，因而構(gòu)成主、副兩個回路，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)中主控制器的給定值按工藝要求規(guī)定，副控制器的給頂值卻是愛調(diào)節(jié)過程中由主控制器給出的。
取水泵房變頻器控制設(shè)計為串級控制系統(tǒng)，可以具備以下功能：
1）能夠迅速克服進入副回路的擾動。擾動只要影響到副被控量，調(diào)節(jié)過程立即開始，是主被控變量的動態(tài)偏差大為降低。如一旦絮疑池排平流池排泥、濾池反沖對洗清水池進水流量影響，副控制器立即調(diào)節(jié)變頻器頻率，維持清水池進水流量，使清水池水位受到的影響降低。
2）由于副回路的存在，使主回路的響應速度有所改善。
3）由于副回路的存在，該回路內(nèi)的過程特性的變化對主被控變量的影響大為降低，還可以使操縱變量得到更精確的調(diào)節(jié)。
取水泵房串級控制系統(tǒng)設(shè)計中，關(guān)鍵在于選好副被控流量；首先，副被控變量應有直接的因果關(guān)系。其次，副被控變量應處于整個對象的中間點，主、副對象要適當分割。選取清水池進水流量作為副被控變量既是根據(jù)調(diào)度員手動控制的實踐，又是根據(jù)串級控制系統(tǒng)理論得出的。在主、副控制器的控制目標應該選用PI、PID或其他特殊的控制規(guī)律，副控制器一般選用P或PI為宜。因為副控制器的控制目標是使主被控變量平穩(wěn)，對副被控變量的過度過程品質(zhì)并沒有嚴格的要求，只是要求過度過程快一點，在保持穩(wěn)定的條件上可制作用適當?shù)膹娨恍Ｒ话悖笨芍破鬟x用比例控制規(guī)律已經(jīng)可以合格。
4 結(jié)論
在現(xiàn)代自動化水廠中，為了滿足工藝一切，平滑調(diào)節(jié)進水流量及出水壓力，一般都采用了變頻調(diào)速來代替老式用閥門進行調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速可以降低電耗，還可以實現(xiàn)取水泵房和送水泵房的自動控制，無人值守，進行安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗供水，推動了供水技術(shù)前進。還有一點要指出的是，水泵站的餓變頻調(diào)速是整個監(jiān)控系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，它的通訊功能必須是接受網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的性能，除了接受水泵站的監(jiān)控，也要接受監(jiān)控中心的監(jiān)控，必須是具有遠程I/O接口。特別要指出的是變頻調(diào)速不是單一進行的，與整個水廠工藝流程，乃至戰(zhàn)爭個城市的供水優(yōu)化調(diào)度有不可分割的流程監(jiān)控關(guān)系。采用西門子自動化技術(shù)，采用西門子G150及SIMOVERT裝置，可以做倒個在網(wǎng)絡(luò)上的監(jiān)控統(tǒng)一：一是統(tǒng)一編程，將驅(qū)動工具集成到SIMATIC管理器中，通過SIMATIC，可統(tǒng)一網(wǎng)上任何點上的計算機界面和操作環(huán)境；二是統(tǒng)一數(shù)據(jù)儲存管理；三是太陽通訊方式。在變頻器的電壓選擇中，小于500KW的水泵機組要盡量選用低壓等級的變頻器。500KW到1000KW的水泵機組可選用690V的三電平變頻器，大于800KW以上的水泵機組可選用2.3/3.3/4.16/6.0/6.6KW等系列的變頻器，不同電壓等級的西門子電動機在國內(nèi)已能組裝生產(chǎn)，客戶沒有后顧之憂。就是中壓型的變頻器，也要盡量選用耐壓等級比較高的高可靠性中壓IGBT元件。SIEMENS/EUPEC生產(chǎn)的中壓IGBT的功率半導體是全球最優(yōu)的元件之一，可用來組建整流側(cè)和逆變側(cè)的直流回路，無需限流電控器，并可短路保護，觸發(fā)器數(shù)目很少，無緩沖/吸收電路，模塊結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，可靠性更高。
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