交流变频技术在供水行业的应用

方永忠
华东交通大学期

　　摘要：本文在介绍交流变频技术及其设备特性的基础上，简要地论述了交流变频设备在供水行业中的几类应用方案，且分别列举了若干应用实例进行说明。

　　一、前言

　　工业生产广泛使用电力拖动，电力拖动的耗电量占了工业生总耗电量的一半，而电力拖动又离不开调速，选用先进的调速技术是节能降耗的重要措施，在供水行业也是如此。如用交流变频器驱动大功率水泵已得到普遍应用，一般都取得了明显的节能效果。
　　交流变频不但节能效果好，由于其调速平滑、调速范围宽、机械特性硬、保护功能齐全、安装简单、操作方便、控制灵活、运行平稳、安全可靠，使其能满足广泛的应用需求。在供水行业有很多从工艺上需要调速的情况，如控制计量泵等精确给定各种药剂投加量、通过反馈调节稳定水位、压力、流量等。
　　近一、二十年来，我国供水行业自动化程度也在不断提高，这一方面是人们的观念在变化，同时也是自动控制技术与设备水平提高的结果。交流变频设备作为自动化系统一个便利的控制执行设备，对自动化技术的提高起到了推波助澜作用。
　　交流变频是在现代微电子技术基础上发展起来的新技术，它不但比传统的直流电机调速优越，而且也比调压调速、变极调速、串级调速、液力耦合调速等调速方式优越，是理想的调速方式。目前工业发达国家已广泛采用变频调速技术，在我国也是国家重点推广的节电新技术。
　　交流变频器作为商品开始在国内上市，是近十年的事，销售额逐年增加，于今全年有超过数十亿元人民币的市场。其中，各种进口品牌居多，如ABB、AB、富士、西门子、三肯、安川等。我国也开发出了华为、惠丰等品牌，其性能与进口产品接近。
　　由于技术的提高、应用领域的扩大、生产成本的降低和市场竞争的加剧等原因，交流变频设备的价格不断降低，这又反过来促进了其应用领域的扩大，同时也需要有更多从事供水行业的技术人员更好地掌握交流变频设备的特性和行业应用技术。

　　二、交流变频技术及其设备特性

　　交流变频中使用最多的是电压型交流变频技术，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。在其工作时首先将交流电经桥式可控硅整流为直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电机上。其技术核心是以微电子技术控制大功率快速可关断晶体管(如GTO、GTR、IGBT、IPM)，形成所需要的输出波形。
　　随着技术的进步，交流变频设备能准确地判断电机负载的变化，使输出频率、电流与电压关系达到优化。同时，在控制电路中运用微处理器的高度智能性，结合软件设计使变频控制更加灵活方便，现代的交流变频器不仅只是一台交流变频设备，还相当一台高性能且使用方便(不用编程)的智能控制设备。
　　现代交流变频设备一般具有如下特性：
　　1、通过改变频率连续调节交流电机的转速
　　交流电机分同步电机和异步电机相类，同步电机的转速与电源频率成正比，异步电机的转速与电源频率也基本成正比(电源电压和负载变化等对转速有很小影响)。因此，通过改变频率进行交流电机调这是最佳途径。变频调速与其它调速相比的优点有：(1)连续平滑调速(相对变极调速等)；(2)调速范围宽(相对调压调速、变极调速等)；(3)机械特性硬(相对调压调速、液力耦合调速等)；(4)保护功能齐全(相对其它各种调速方式)；(5)节能效率高(相对除变极调速以外的其它各种调速方式)；(6)实施简便(勿需机械设施和改造电机)。
　　2、根据频率和负载的变化控制输出电压
　　早期的交流变频器的输出电压与频率成正比，这种技术不能适应不同的负载情况。第二代产品可以选择输出电压与频率的关系曲线或采用磁通轨迹法控制输出电压，后来又发展到矢量控制(VC)和最先进的直接转矩控制(DTC)方式。先进的输出电压控制方式可以在保证负载驱动所需转矩的同时，尽量减少电机的电耗和发热。
　　3、通过参数设置适应不同的应用与电机特性
　　为了适应不同的应用与电机特性，交流变频器设计了很多参数，一方面这些参数出厂时置有缺省值以满足最简单的应用，另一方面用户可以通过改变这些参数的信使之适于具体应用。最基本的参数有驱动电机的额定特性(电压、电流、功率、转速、功率因素等)、负载适应参数(频率范围、转矩提升、滑差补偿等)、启停与转向控制方式、加减速时间、频率给定与控制方式、制动功能设置、保护功能设置等。
　　4、多种方式给定输出频率
　　多种频率给定方式为用户提供灵活的应用手段，常用的频率给定方式有： (1)操作面板手动给定，即用变频器操作面板上的电位器或按键给定频率；(2)外部电位器给定，即外接一个分压电位器(可变电阻)并通过改变电位器的阻值给定频率；(3)外部模拟量给定，即从外部接入一个直流电压或电流信号，其信号的大小对应于给定频率；(4)多段频率给定，即给变频器外接若干个触点开关，通过这些开关的状态对应若干个预设的频率(不连续)；(5)串行通讯给定，即通过RS232C、RS485等串行通讯口以数字量直接给定频率，这是一种最精确的频率给定方式，但需要有通讯控制设备(如PLC或计算机)。
　　以上方式给定的不一定直接就是频率，有些变频器可按设定最大频率的百分数给定频率，有些变频器可以直接给定电机的转速。较先进的变频器还可间接给定频率，如对给定值或多个给定值进行各种运算后作为给定频率，最复杂的是通过PI或PID模型计算给定频率，即将给定值与被控工业过程反馈量(如流量、压力、温度等)比较，用其差值代入PI或PID数学模型计算出给定频率。
　　5、丰富的信号采集处理与输出能力
　　交流变频技术是以微电子技术为基础的，又被广泛应用于自动控制领域，这使变频器的设计者在其控制电路中很容易也有必要加入外部信号接口 (AD／DA转换、隔离、滤波等)功能。现在的变频器基本上都包含了开关量和模拟量的输入和输出功能，最先进的还加入了串行数字通讯能力(见后述)，使得变频器的功能接近一台智能控制器。
　　开关输入量往往用于启停与转向控制、频率给定、功能选择等；开关输出量用于表示变频器运行、故障等状态；模拟输入量用于接受给定值、过程反馈量等；模拟输出量则一般用于反映变频器运行频率、输出电流等物理量。
　　6、全面的保护功能与故障处理能力
　　变频器的核心部件是半导体，瞬间过压或过电流就会烧损、为此所有变频器都设计了快速反应的电子保护功能，这也是交流变频技术能够商品化和被普遍应用的另一技术关键。同时，变频器的保护功能也是为保护驱动电机及机械设备而设计的。
　　变频器的保护功能一般有：过压、欠压、过流、短路、过载、失裁、过热、失速、堵转等。变频器在故障现象较轻时先显示警告信息，当故障现象较严重时保护功能动作，常见的保护功能有降频运行和停机。在故障保护停机后，在给出故障报警的同时，也可以设置自动恢复运行，自动恢复运行的时间间隔和允许尝试次数也可以通过参数设定。
　　7、工业过程的PID(或PI)闭环控制能力
　　这是变频器的又一先进功能，当变频器用于工业生产过程中并起调节作用时，变频器的控制电路与软件可以代替一台PID或PI调节器实现闭环控制。
　　当变频器设定为PID或PI控制模式时，PID或PI调节的给定值可以选用上述第4条所述的各种方式，而被控过程量的反馈信号从一个模拟量输入口接入变频器，PID或PI的输出直接作为变频器频率给定。PID或PI模型的参数根据被控过程的动态特性估计和设置。
　　8、先进的串行数字通讯能力
　　近年来，越来越多的变频器加入了串行数字通讯能力，这一功能受到很多高水平变频器应用者青睐。数字通讯有以下优点；(1)提高变频器频率给定的精度，使得频率可按0．01Hz或更小单位给定，且无传输失真；(2)实现远程控制，即通过通讯控制设备(如PIC、微机、网络等)从远程控制变频器启停、转向和频率；(3)多台变频器同步控制，即用一台控制设备与多台变频器同时通讯，统一控制频率；(4)实现变频器参数的批量和远程查看与修改，如通过微机编程查看和修改变频器参数；(5)扩展变频器的应用，如用变频器的AD/DA口进行数据采集与控制，节省PLC的模拟量模块等。

　　三、交流变频设备在供水行业中的应用

　　交流变频设备在供水行业的应用目的不外乎两个，其一是为了节能降耗，其二是为了工艺的需要或优化，有些应用同时具备这两个目的。现按应用的技术特点分类介绍如下。
　　1、最简单的应用——人工调频
　　此类应用方式适于电机转速不需要经常调整或因缺少传感器不能构成自控系统的情况，使用变频器使工艺过程的人工调速成为可能或更方便。如：
　　(1)用变频器驱动取水泵取水，由人工根据清水池水位调节变频器频率，因为取水流量变化幅度小，清水池又有较大调节容积，所以人工调频不会太频繁；
　　(2)用变频器驱动计量泵电机进行混凝剂、助凝剂或消毒剂等的投加，因为在一些情况下原水水量、水质变化不大，而通过变频器与计量泵配合可以精确定量，操作者易做到心里有数，由人工摸索最佳投加量也是可能的；
　　(3)用变频器驱动风机或水泵进行滤池气洗或水洗，因为有些滤池的反洗程序本身就是人工操作的，由人工观察滤池反洗情况，根据需要调节频率大小和开机时间以控制气量或水量的大小与反洗时间等，可以达到反洗效果最佳、水电消耗量最少的目的。
　　这些应用是变频器的基本功能，使用变频器出厂参数，从操作面板直接调节频率即可。
　　2、多段频率的应用——不连续调频
　　在一些应用场合，可以用变频器的多段频率功能达到工艺要求，这种应用可以实现自动化，而给变频器的是开关信号，实施简单，可靠性也较高。如：
　　(1)根据平流沉淀池积泥规律将其分为若干段，并为每段设置一个吸泥行车行走速度(能将泥吸净又不浪费水的合适速度)、然后将行走速度换算为驱动行车变频器的频率，设在行车行程上的限位开关信号经变换后接入变频器，控制变频器的频率切换；
　　(2)笔者曾设计过一套混凝剂溶解与浓度控制系统，固体混凝剂用水力循环进行溶解，循环水流由变频器带动水泵驱动，该水泵同时用于向溶液池输送药液，经工艺设计使循环溶解所需水泵扬程大于输液所需水泵扬程，当检测浓度大于设定值时控制变频器以低频运行，只输液不溶解，由于补水由浮球阀控制，在药液使用消耗时不断补水，浓度逐渐降低，当浓度小于设定值时，控制变频器以高频运行，既输液又溶解，药液浓度不断提高，如此重复；
　　(3)有一类无塔供水设备，其原理是将供水流量或压力传换为若干开关信号，变频器根据这些开关信号状态改变频率，并驱动加压水泵以不同转速工作，达到保证供水的目的。
　　3、由外部信号直接给定频率的应用
　　这是变频器的一类常见应用，即将生产过程中的某一检测信号输入到变频器的AD口，由这一信号直接给定频率或经变换后给定频率。如：
　　(1)在自动控制系统中，由控制器（如PID调节器、PLC或微机等)输出控制信号(模拟信号或数字信号)，并直接接入变频器中作为频率给定信号；
　　(2)在水处理工艺中，当用流量比例控制助激剂或消毒剂等的投加时，可以将水处理流量信号输入变频器中，作为给定频率控制计量泵的转速；
　　(3)将声、光传感器的信号输入变频器中作为给定频率，由变频器驱动喷泉循环水泵，使得喷泉的水柱高度随着灯光或音乐的强弱而变化，形成奇妙的动态变化喷泉效果。
　　4、定值闭环控制应用
　　该类应用是利用变频器的PID或PI功能实现工业过程的闭环控制，并使被控制量(流量、压力、温度等)保持恒定。如：
　　(1)变频恒压供水设备的构成方案之一就是不依靠单片机、PLC或PID调节器等控制设备，而是直接将供水压力信号直接输入变频器中，由变频器将其与设定压力值比较，并通过内部PID或PI算法控制水泵转速，达到水压恒定；
　　(2)在水厂流动电流检测单闭环混凝剂投加系统中，可以将反映投药量的流动电流检测信号直接输入驱动计量泵的变频器中，由变频器将其与设定流动电流值比较，并通过内部PID或PI算法控制计量泵转速，实现最佳投药量控制;
　　(3)在水厂取水泵站，将清水池水位信号直接输入驱动取水泵的变频器中，由变频器将其与设定水位值比较，并通过内部PID或PI算法控制水泵转速，从而实现清水池水位恒定控制。
　　5、变值闭环控制应用
　　该类应用也是利用变频器的PID或PI功能实现工业过程的闭环控制，但被控制量的设定值不是由人工给出，而是要借助其它控制设备(单片机、FLC、FID调节器、计算机等)根据一定规律自动给出，而给出的设定值往拄是易变的。如：
　　(1)对于城镇送水泵站或加压泵站，也可采用变频调速进行供水压力闭环控制，但恒压供水不是最理想方案，供水压力应根据供水流量或用水时段设定，常用用一台PLC或单片机等根据供水流量或用水时段等计算水压设定值，由变频器根据实测水压与设定水压之差，用内部PID或PI算法控制水泵转速；
　　(2)上述水厂流动电流检测闭环控制混凝剂投加系统中，因流动电流检测值漂移等原因、流动电流最佳设定值也不是常数，有一种方案是利用滤前水浊度修正流动电流设定值，即构成所谓双闭环控制，用一台PLC或PID调节器根据滤前浊度与设定浊度差值来调节流动电流设定值，再将设定值输入到变频器，由变频器将其与检测值比较并根据内部的PID或PI算法控制投药计量泵转速；
　　(3)在滤池反洗控制中，可用变频器驱动反洗水泵，将反洗流量检测信号输入变频器，可由变频器的PID或PI算法组成反洗流量控制系统，用单片机、PLC或微机编制程序使反洗流量按一定规律变化，则可以构成效率最高和最节水的变速反洗控制系统。

　　四、结束语

　　交流变频设备的使用为许多工业过程带来了高质量和高效益。，供水行业越来越多的应用者也深深地体会到了这一点。
　　随着交流变额技术水平的不断提高，也随着行业应用者水平的不断提高，人们将可以为交流变频设备在供水行业找到更多的应用领域和应用方案，甚至交流变频设备的应用也可能引起供水工艺本身的革新。