变频器在小城市生活供水系统中的应用

变频器在小城市生活供水系统中的应用摘要 本论文针对小城市的发展情况以及居民生活用水的分析，通过对蓬安县的最高楼的使用概况具体分析，利用变频器在恒压供水方面的优良表现设计出对生活供水进行变频控制的控制系统，并能通过简单地修改参数实现对其他小区或高楼供水系统进行推广，以达到节能和提高人们生活水平的目的。关键词 恒压供水，变频器1 绪论变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能性。据预测，到 2050 年中国的中小城市数量将突破 2000 个。我国中小城市飞速发展的模式是与我们的国情相适应的 1 。传统的供水方式有：一台恒速泵直接供水、恒速泵加水塔的供水方式、恒速泵加高位水箱的供水方式、恒速泵加气压罐供水方式，不能适应城市的发展。本课题是是以我的家乡四川蓬安县为研究对象，通过对蓬安最高的世纪广场电梯公寓的分析，将变频器应用于恒压供水系统。本论文的研究主要内容如下：1) 本课题的应用前景分析；2) 变频恒压供水可行性分析；3) 对被控制对象各项参数进行采集并加以分析；4) 根据 3)的分析对电机，泵以及变频器进行选型，做到能够完全满足需要又不浪费；5) 对相关的安全保护装置进行选型以及对变频器进行参数调节，保证设备能够安全，高效地运行。2 变频器原理及其在恒压供水中的应用2.1 异步电动机概述(1) 异步电动机基本工作原理异步电动机转子旋转的转速 n 不能等于定子旋转磁场转速 n1,所以说，异步电动机运行的必要条件是转子转速和定子旋转转速之间存在差异 3。(2)异步电动机的调速由异步电动机的转速关系式 4 可得式(2.1)说明，异步电动机可通过改变转差率 s、极对数 p 及电源频率 f1 来调速。当频率下降时总希望主磁通保持不变，这时可使电源端电压随频率下降而同时下降，即电压与式(2.1)1160()()fn频率成正比例地变化，因此对变频电源提出了调频的同时也应调压的要求 4 。2.2 变频器概述目前成为市场主流的变频器基本上有着图 2-1 所示的基本结构。按变频器技术的发展过程可以分为 V/f 控制方式、转差频率控制方式和矢量控制 78 方式三种；按用途分为通用变频器和特种变频器 9 。2.3 供水系统的特点供水系统的基本特性和工作点扬程特性如图 2-2 所示。H(m)HA 3(/)Qmh图 2-2 供水系统的基本特性 10扬程特性管阻特性A当把供水控制在供水系统的工作点时，既能满足人们的需求，又能节约资源，能延长管网及用水设备的使用寿命。供水系统向用户供水时所消耗的功率 PG(KW)称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：式中：C P比例常数HT阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线 HT=f(Q)，即管阻特性曲线1PTCQ图 2-1 变频器的基本构成 5整流电路 中间直流电路 逆变电路控制电路频率和电压可调的交流电交流电(商用电源)3 世纪广场电梯公寓生活供水系统的分析3.1 被控对象概述世纪广场电梯公寓为现今蓬安县的最高楼，21 层，无地下室或车库。12 楼为相如镇卫生院一、二楼之间设有男女厕所各一个，厕所中蹲位 5 个，有手动冲厕设备，男女厕共计 10 个。厕所外有洗手水龙头共 3 个，病床 40 张。321 层为居民住宿，每层八套，大小相同，建筑面积 102.38 平方米，使用面积为 78 平方米。整栋楼共有水龙头 773 个。3.2 供水系统流量及扬程的计算3.2.1 供水系统流量的计算(1) 各类建筑生活用水量各类建筑最高日生活用水量，应按下式计算：式中 m设计单位数(人、床、辆、米 2 等) ；qd单位用水量标准(升/人日、升 /床日、升/辆日、升/米 2日等) ，根据住宅生活用水量标准及小时变化系数表、公共建筑的生活用水量标准及小时变化系数表、居住区生活用水量标准表以及医院生活综合用水量表进行选择。在本论文中，因为下层为医院，上层为住宅，需要分别按不同建筑的用水量标准，计算各自最高生活用水量，然后将同时用水量叠加，取最大一组用水量作为整个建筑的最高日生活用水量。取该医院的生活用水量标准为 200L，因此 。31402/8()dQ米 /日结合当地情况，设每户人口数为 4 人，取用水标准为 140L，则总单位数为：8419608m得居民用水情况为： 32/5.12(/)dQ米 日因此总用水量： 35/米 日(2) 最大小时生活用水量最大小时生活用水量应根据最高日或最大班生活用水量、每天(或最大班) 使用时间和小时变化系数进行计算：式中 QA最大小时用水量(米 3/时)Qd最高日用水量(米 3/日) 或最大班用水量(米 3/班)T每天或最大班使用时间(时或时/班)K小时变化系数，参见（ 1）中的参数表。取 11(m3/h)85.12/482.0/.6A(3) 根据水龙头的最大流量计算总流量(米 3/日) 式(3-1)10dmqQ式(3.2)dAKQT根据节水型生活用水器具中的相关规定，可计算出： 310%73965(/min)417.2(/)Qlh由(2)和(3)计算的值相差很大，后者是前者的近 40 倍，有一个是不合理的。下面我进行简单的分析，以便取相对正确的值。先分析(3)，(3)计算成立的条件是假设的前提条件是不科学的。其中：q g计算管段的设计秒流量U计算管段的卫生器具给水当量同时出流概率Ng计算管段的卫生器具给水当量总数0.2以 1 个卫生器具给水当量的额定流量的数值，其单位为 L/s采用 2)计算所得的数据，完成能够满足单个建筑用水量的要求。3.2.2 供水系统扬程的确定(1)生活饮用水管网的设计水压( 最小服务水头)应根据建筑层数确定为：一层为10m，2 层为 12m，二层以上每增高一层增加 4m。(2)当供水范围较远时，应考虑管路的扬程损失和局部扬程损失。本楼的扬程计算如下：取 93m1.05(2419)2.H3.2.3 流量与扬程的最终确定此两数据是选取设备的最重要的两数据，流量是选泵的重要性能数据之一，它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力。流量取值为 11m3/h，扬程取 93m。4 变频调速恒压供水控制系统设计及设备的选型根据比较众多的设计方案，采取分区供水，无负压变频恒压供水最经济，可靠性最高。4.1 分区供水的可行性分析130.2ggqUN一区二区三区图 4-1 分区情况水泵调节罐及公共管网1 2 3 4其中泵 1 控制一区，泵 2 控制二区，泵 3 控制三区，泵 4 为备用泵。4.2 无负压变频调速恒压供水无负压变频调速恒压供水与一般的变频恒压给水设备有以下优点(见表 4-1)。表 4-116 无负压变频恒压与变频恒压的比较比较名称 无负压变频恒压供水设备 变频恒压给水设备基础建设 不用建水池、水箱，基础投资少需建地下水池或不锈钢水箱，基础投资较大水质污染 绿色环保型，全封闭，无污染 地下水池存在少量的二次供水污染相同用户水泵功率利用原管网水压，水泵运行功率小，节能更多原管网水压不能利用，水泵运行功率相对偏大供水流量流量小时，通过旁通管供水，无需启泵，节水，全封闭系统无渗漏，不需维护水池零星流量时，辅泵与气压罐交替工作，启动辅泵组成 调节罐，水泵，智能控制系统 地下水池，水泵，智能控制系统特点 无负压管网叠压，变频恒压控制 变频恒压用电节能 节能 50%以上 节能 30%以上占地面积 结构简单，紧凑，空间利用率高 需地下水池，较大的占地面积无负压变频恒压供水系统是在变频恒压供水设备上发展起来的，它主要由无负压调节罐、水泵、气压罐、智能控制系统等组成。它较变频恒压供水系统多了无负压调节罐及其相关调节检查设备，如图 4-2 所示。真空消除器它是本设备的核心，依靠它消除管网中负压，从而不影响周围用水，保护管网与设备，达到市政供水的要求。-我将调节罐及相关设备与水泵，变频器及控制电路分别考虑，整合成一实用的系统。自来水管网真空消除器加压水泵加压水泵图 4-2 无负压变频恒压供水的特有设备调节罐液位探测器4.3 恒压供水变频调速控制系统的工作原理变频调速控制是恒压供水系统的核心部分，整个系统的结构图如图 4-3 所示，其中与虚线框起部分为变频调速控制系统，如图 4-2 所示。其中控制器一般由 PLC、DSP(专用数子信号处理器)或单片机构成的电路组成。水泵传感器图 4-3 变频调速恒压供水系统结构图水源变频器外部电网用户4控制器止回阀阀门图 4-3 为系统的结构图。用户所需水压由水泵电动机提供，而水泵的输出是由电机的转速控制，变频器通过调节电机的输入频率而达到调速最终实现恒压供水的目的。4.4 方案设计控制方式采用图 4-4 可编程控制器构成的反馈回路进行控制。图 4-4 可编程控制器控制变频调速恒压供水系统方案图4.5 系统主要配置的选型4.5.1 水泵机组的选型根据系统要求的流量为 11m3/h、扬程为 93m，我采用四台相同的泵机组。型号及参数见表 4-2。表 4-2 水泵机组参数级数 型号数量 系列名称流量 （m 3/h）扬程（m） 吸程额定电流（A）电机功率（kw）生产厂家主泵机组 7 50ALGDL12-15*7 3立式多级管道泵 12 105 7 15 7.5上海奥力泵阀制造有限公司备用泵 7 50ALGDL12-15*7 1立式多级管道泵 12 105 7 15 7.5上海奥力泵阀制造有限公司4.5.2 变频器的选型根据所选的电机的单机功率为 7.5kw，四台总功率为 30kw。我选择的变频器是三菱的型号为 RFR-A540-37K-CH。其参数见表 4-3。表 4-3 RFR-A540-37K-CH 的技术参数 17最大输出功率(kw)(注 1) 37额定容量(kVA(注 2) 54额定电流(A) 71过载能力(注 3) 150%60 秒 200%0.5 秒电压( 注 4) 三相，380V 至 480V 50Hz/60Hz最大值/时间 20%(注 5)输出再生制动转矩 允许使用率 连续( 注 5)额定输入交流电压，频率 三相，380V 至 480V 50Hz/60Hz交流电压允许波动范围 323V 至 528V 50Hz/60Hz允许频率波动范围 5%电源电源容量(kVA)(注 6) 66保护结构(JEM 1030) 开放型(IP00)冷却方式 强制风冷大约重量(Kg) 35控制电路流量检测过流保护装置变频器熔断器电网图 5-1 电路接线简图至用户PM熔断器5 电机和变频器的保护以及变频器的调试5.1 电路接线图根据前面的分析，作出电路接线简图(见图 5-1)。图中的电机是指电机组，不是指某一台电机。由上图可以看出，保护装置必须要选择熔断器和过流保护装置，另外还要选择用于测试流量的压力传感器。5.2 保护装置5.2.1 确定过流保护装置过流保护装置选择的是 HQB-20A 电动机过流保护器，其保护特性见表 5.1表 5.1 HQB-20A 电动机过流保护器保护功能 动作时间 动作条件过电流 240 秒内 工作电流设定电流1.2 倍，反时限动作断相 2 秒内 一相或二相断开本论文中该过流保护器设定电流为 15A，动作时间设为 20 秒( 此动作时间是考虑当启动时电流一般为额定电流的 410 倍，为避免保护装置动作造成对生产的影响，启动时间与启动方式有关，此处假设为硬启动时间)。5.2.2 确定熔断器(1) 应根据不同的使用场合选择熔断器的类型。根据图 5-1，我们主要是保护变频器，电动机和控制电路。保护变频器一般用刀型触头熔断器，电动机保护一般用螺旋式熔断器,保护控制电路则应选择半导体保护用快速式熔断器。用于保护变频器的熔断器应选用刀型触头式，因该变频器的额定电流为 71A，故我选择 RDT16-160 500，该熔断器的底座额定电流为 160， ，额定电压为 500V，熔断体额定电流设为 80A。(2) 确定熔断器的额定电流1) 对于变压器、电炉和照明等负载，熔体的额定电流应略大于或等于负载电流。2) 在电动机回路中用作短路保护时，应考虑电动机的启动条件，按电动机启动时间的长短来选择熔体的额定电流。该电机若用硬启动，启动电流为额定电流的 7 倍， ，故启动电流150stIA熔体的额定电流为 ，选择螺旋式熔断器 RL1-60，该熔断器额定电流为 60A，熔3542A断体额定电流选择 40A 的。5.3 确定流量检测装置该流量检测装置由传感器和信号转换器组成。该流量检测装置由传感器 MAG1100 和信号转换器 MAG5000 以及电源，输入电路模块，数字信号处理器等组成。5.4 变频器的调试在进行参数设定时，参考三菱通用变频器的相关调试方法 18 。主要需要设定的参数见表 5-2。(1) 频率的设定对于风机泵类上限频率设为 45Hz,下限频率设为 1525 之间，首先将参数号 1 设为45，再将参数号 2 设为 20。表 5-2 主要希望设定的参数参数号 名称 应用1 上限频率2 下限频率 用于设定最大和最小输出频率7 加速时间8 减速时间 用于设定加/减速时间9 电子过电流保护 设定电子过电流保护的值，防止电机过热14 适用负荷选择 选择与负荷特性最适宜的输出特性71 适用电机 按使用电机设定电子过电流保护热继电器的特 性73 0-5v/0-10v 选择 选择输入端子 2-5 频率设定信号的电压输入规格(2) 减速时间的确定按照一般的经验，将参数 7 设为一分钟，将参数 8 设为 1.5 分钟。(3) 过电流保护设置考虑到启动电流较大，并且电机又有熔断器和过电流保护装置，在这里，将参数 9 设为 110A(进行熔断器选择时选择的起动电流为额定电流的 7 倍，即 105A)。(4) 适用负荷选择该型号变频器参数 14 默认值为 1，为变转矩负载，适合泵的使用，不用更改。(5) 适用电机选择参数号 71 出厂设定值为 0，电子过电流保护特性为适合标准电机的热特性，不用更改。(6) 电压输入选择参数号 73 可以选择模拟输入端子的规格，超调功能和靠输入信号的极性变换电机的正反转。出厂参数号 73 设定值为 1，表示端子 2 输入电压为 0 到 5V，端子 1 输入电压为 0到10V ，这里应根据反馈控制电路的特性决定，如果是用单片机组成的反馈控制电路，一般要设置为 3，即将端子 1 输入电压设为 0 到5V。以上有的数据在进行测试时可作相应调整。6 结 论本论文针对目前小城市供水系统的缺点，因为研究的起点为该县的最高楼，所以只需对一些参数进行变动，就能应用于其他低一些的楼或小区，基本上解决了小城市中的供水问题。该系统具有以下优点：(1) 起点较高，系统的可移植性高。(2) 实现了恒压供水，提高了供水质量，有利于人们生活水平的提高，同时节约了能源，有利于可持续发展。(3) 应用了可编程控制器，实现了连续调节，有力地保障了供水系统的供水质量。尽管如此，本系统还有一些缺点：(1) 采用的无负压恒压供水中使用的调节罐必须与系统中采用的泵相匹配，没有现成的产品，需定制，成本较高。(2) 在分的三个区中，到每个区的管道相互独立，保证了系统的稳定性，但提高了成本。展望：现在实现了实时的恒压供水系统，将来还可以将整个供水系统的各项参数通过与上位机的管理系统相连，实现对整个系统的监控。甚至将各个小区的上位机组成一个网络，乃至全国城市组成一个网络，实现全国供水系统的实时监控和故障的快速排除。参 考 文 献1 刘贵利.中小城市 总体规划解析M.东南大学出版社.2005 年 9 月:142 崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨D.兰州铁道学院学报.2000 年 1 期: 84883 叶水音主 编.电机学M. 中国电力出版社.2005 年 2 月:1134 Power Electronics Handbook,By Muhammad Rashid,University of West Florida, Pensacola,U.S.A5 叶水音主 编.电机学M. 中国电力出版社.2005 年 2 月: 145-1466 原魁.变频 器基础及应用M.第 2 版.2005 年 7 月:19-217 Janecke M,ed.Dirct self-control,a novel method of controlling traction drives used for the first time on diesel-elec-tric locomotives.eb,1991(3)8 Habetler Thomas 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After the analysis of the highest building in Pengan 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 peoples 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