方永忠
華東交通大學(xué)期

　　摘要：本文在介紹交流變頻技術(shù)及其設(shè)備特性的基礎(chǔ)上，簡要地論述了交流變頻設(shè)備在供水行業(yè)中的幾類應(yīng)用方案，且分別列舉了若干應(yīng)用實例進行說明。

　　一、前言

　　工業(yè)生產(chǎn)廣泛使用電力拖動，電力拖動的耗電量占了工業(yè)生總耗電量的一半，而電力拖動又離不開調(diào)速，選用先進的調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗的重要措施，在供水行業(yè)也是如此。如用交流變頻器驅(qū)動大功率水泵已得到普遍應(yīng)用，一般都取得了明顯的節(jié)能效果。
　　交流變頻不但節(jié)能效果好，由于其調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、機械特性硬、保護功能齊全、安裝簡單、操作方便、控制靈活、運行平穩(wěn)、安全可靠，使其能滿足廣泛的應(yīng)用需求。在供水行業(yè)有很多從工藝上需要調(diào)速的情況，如控制計量泵等精確給定各種藥劑投加量、通過反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)定水位、壓力、流量等。
　　近一、二十年來，我國供水行業(yè)自動化程度也在不斷提高，這一方面是人們的觀念在變化，同時也是自動控制技術(shù)與設(shè)備水平提高的結(jié)果。交流變頻設(shè)備作為自動化系統(tǒng)一個便利的控制執(zhí)行設(shè)備，對自動化技術(shù)的提高起到了推波助瀾作用。
　　交流變頻是在現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，它不但比傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速優(yōu)越，而且也比調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速、液力耦合調(diào)速等調(diào)速方式優(yōu)越，是理想的調(diào)速方式。目前工業(yè)發(fā)達國家已廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術(shù)。
　　交流變頻器作為商品開始在國內(nèi)上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數(shù)十億元人民幣的市場。其中，各種進口品牌居多，如ABB、AB、富士、西門子、三肯、安川等。我國也開發(fā)出了華為、惠豐等品牌，其性能與進口產(chǎn)品接近。
　　由于技術(shù)的提高、應(yīng)用領(lǐng)域的擴大、生產(chǎn)成本的降低和市場競爭的加劇等原因，交流變頻設(shè)備的價格不斷降低，這又反過來促進了其應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，同時也需要有更多從事供水行業(yè)的技術(shù)人員更好地掌握交流變頻設(shè)備的特性和行業(yè)應(yīng)用技術(shù)。

　　二、交流變頻技術(shù)及其設(shè)備特性

　　交流變頻中使用最多的是電壓型交流變頻技術(shù)，由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。在其工作時首先將交流電經(jīng)橋式可控硅整流為直流電，脈動的直流電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源，輸出到需要調(diào)速的電機上。其技術(shù)核心是以微電子技術(shù)控制大功率快速可關(guān)斷晶體管(如GTO、GTR、IGBT、IPM)，形成所需要的輸出波形。
　　隨著技術(shù)的進步，交流變頻設(shè)備能準確地判斷電機負載的變化，使輸出頻率、電流與電壓關(guān)系達到優(yōu)化。同時，在控制電路中運用微處理器的高度智能性，結(jié)合軟件設(shè)計使變頻控制更加靈活方便，現(xiàn)代的交流變頻器不僅只是一臺交流變頻設(shè)備，還相當一臺高性能且使用方便(不用編程)的智能控制設(shè)備。
　　現(xiàn)代交流變頻設(shè)備一般具有如下特性：
　　1、通過改變頻率連續(xù)調(diào)節(jié)交流電機的轉(zhuǎn)速
　　交流電機分同步電機和異步電機相類，同步電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，異步電機的轉(zhuǎn)速與電源頻率也基本成正比(電源電壓和負載變化等對轉(zhuǎn)速有很小影響)。因此，通過改變頻率進行交流電機調(diào)這是最佳途徑。變頻調(diào)速與其它調(diào)速相比的優(yōu)點有：(1)連續(xù)平滑調(diào)速(相對變極調(diào)速等)；(2)調(diào)速范圍寬(相對調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速等)；(3)機械特性硬(相對調(diào)壓調(diào)速、液力耦合調(diào)速等)；(4)保護功能齊全(相對其它各種調(diào)速方式)；(5)節(jié)能效率高(相對除變極調(diào)速以外的其它各種調(diào)速方式)；(6)實施簡便(勿需機械設(shè)施和改造電機)。
　　2、根據(jù)頻率和負載的變化控制輸出電壓
　　早期的交流變頻器的輸出電壓與頻率成正比，這種技術(shù)不能適應(yīng)不同的負載情況。第二代產(chǎn)品可以選擇輸出電壓與頻率的關(guān)系曲線或采用磁通軌跡法控制輸出電壓，后來又發(fā)展到矢量控制(VC)和最先進的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式。先進的輸出電壓控制方式可以在保證負載驅(qū)動所需轉(zhuǎn)矩的同時，盡量減少電機的電耗和發(fā)熱。
　　3、通過參數(shù)設(shè)置適應(yīng)不同的應(yīng)用與電機特性
　　為了適應(yīng)不同的應(yīng)用與電機特性，交流變頻器設(shè)計了很多參數(shù)，一方面這些參數(shù)出廠時置有缺省值以滿足最簡單的應(yīng)用，另一方面用戶可以通過改變這些參數(shù)的信使之適于具體應(yīng)用。最基本的參數(shù)有驅(qū)動電機的額定特性(電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、功率因素等)、負載適應(yīng)參數(shù)(頻率范圍、轉(zhuǎn)矩提升、滑差補償?shù)?、啟停與轉(zhuǎn)向控制方式、加減速時間、頻率給定與控制方式、制動功能設(shè)置、保護功能設(shè)置等。
　　4、多種方式給定輸出頻率
　　多種頻率給定方式為用戶提供靈活的應(yīng)用手段，常用的頻率給定方式有： (1)操作面板手動給定，即用變頻器操作面板上的電位器或按鍵給定頻率；(2)外部電位器給定，即外接一個分壓電位器(可變電阻)并通過改變電位器的阻值給定頻率；(3)外部模擬量給定，即從外部接入一個直流電壓或電流信號，其信號的大小對應(yīng)于給定頻率；(4)多段頻率給定，即給變頻器外接若干個觸點開關(guān)，通過這些開關(guān)的狀態(tài)對應(yīng)若干個預(yù)設(shè)的頻率(不連續(xù))；(5)串行通訊給定，即通過RS232C、RS485等串行通訊口以數(shù)字量直接給定頻率，這是一種最精確的頻率給定方式，但需要有通訊控制設(shè)備(如PLC或計算機)。
　　以上方式給定的不一定直接就是頻率，有些變頻器可按設(shè)定最大頻率的百分數(shù)給定頻率，有些變頻器可以直接給定電機的轉(zhuǎn)速。較先進的變頻器還可間接給定頻率，如對給定值或多個給定值進行各種運算后作為給定頻率，最復(fù)雜的是通過PI或PID模型計算給定頻率，即將給定值與被控工業(yè)過程反饋量(如流量、壓力、溫度等)比較，用其差值代入PI或PID數(shù)學(xué)模型計算出給定頻率。
　　5、豐富的信號采集處理與輸出能力
　　交流變頻技術(shù)是以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的，又被廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，這使變頻器的設(shè)計者在其控制電路中很容易也有必要加入外部信號接口 (AD／DA轉(zhuǎn)換、隔離、濾波等)功能。現(xiàn)在的變頻器基本上都包含了開關(guān)量和模擬量的輸入和輸出功能，最先進的還加入了串行數(shù)字通訊能力(見后述)，使得變頻器的功能接近一臺智能控制器。
　　開關(guān)輸入量往往用于啟停與轉(zhuǎn)向控制、頻率給定、功能選擇等；開關(guān)輸出量用于表示變頻器運行、故障等狀態(tài)；模擬輸入量用于接受給定值、過程反饋量等；模擬輸出量則一般用于反映變頻器運行頻率、輸出電流等物理量。
　　6、全面的保護功能與故障處理能力
　　變頻器的核心部件是半導(dǎo)體，瞬間過壓或過電流就會燒損、為此所有變頻器都設(shè)計了快速反應(yīng)的電子保護功能，這也是交流變頻技術(shù)能夠商品化和被普遍應(yīng)用的另一技術(shù)關(guān)鍵。同時，變頻器的保護功能也是為保護驅(qū)動電機及機械設(shè)備而設(shè)計的。
　　變頻器的保護功能一般有：過壓、欠壓、過流、短路、過載、失裁、過熱、失速、堵轉(zhuǎn)等。變頻器在故障現(xiàn)象較輕時先顯示警告信息，當故障現(xiàn)象較嚴重時保護功能動作，常見的保護功能有降頻運行和停機。在故障保護停機后，在給出故障報警的同時，也可以設(shè)置自動恢復(fù)運行，自動恢復(fù)運行的時間間隔和允許嘗試次數(shù)也可以通過參數(shù)設(shè)定。
　　7、工業(yè)過程的PID(或PI)閉環(huán)控制能力
　　這是變頻器的又一先進功能，當變頻器用于工業(yè)生產(chǎn)過程中并起調(diào)節(jié)作用時，變頻器的控制電路與軟件可以代替一臺PID或PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)閉環(huán)控制。
　　當變頻器設(shè)定為PID或PI控制模式時，PID或PI調(diào)節(jié)的給定值可以選用上述第4條所述的各種方式，而被控過程量的反饋信號從一個模擬量輸入口接入變頻器，PID或PI的輸出直接作為變頻器頻率給定。PID或PI模型的參數(shù)根據(jù)被控過程的動態(tài)特性估計和設(shè)置。
　　8、先進的串行數(shù)字通訊能力
　　近年來，越來越多的變頻器加入了串行數(shù)字通訊能力，這一功能受到很多高水平變頻器應(yīng)用者青睞。數(shù)字通訊有以下優(yōu)點；(1)提高變頻器頻率給定的精度，使得頻率可按0．01Hz或更小單位給定，且無傳輸失真；(2)實現(xiàn)遠程控制，即通過通訊控制設(shè)備(如PIC、微機、網(wǎng)絡(luò)等)從遠程控制變頻器啟停、轉(zhuǎn)向和頻率；(3)多臺變頻器同步控制，即用一臺控制設(shè)備與多臺變頻器同時通訊，統(tǒng)一控制頻率；(4)實現(xiàn)變頻器參數(shù)的批量和遠程查看與修改，如通過微機編程查看和修改變頻器參數(shù)；(5)擴展變頻器的應(yīng)用，如用變頻器的AD/DA口進行數(shù)據(jù)采集與控制，節(jié)省PLC的模擬量模塊等。

　　三、交流變頻設(shè)備在供水行業(yè)中的應(yīng)用

　　交流變頻設(shè)備在供水行業(yè)的應(yīng)用目的不外乎兩個，其一是為了節(jié)能降耗，其二是為了工藝的需要或優(yōu)化，有些應(yīng)用同時具備這兩個目的?，F(xiàn)按應(yīng)用的技術(shù)特點分類介紹如下。
　　1、最簡單的應(yīng)用——人工調(diào)頻
　　此類應(yīng)用方式適于電機轉(zhuǎn)速不需要經(jīng)常調(diào)整或因缺少傳感器不能構(gòu)成自控系統(tǒng)的情況，使用變頻器使工藝過程的人工調(diào)速成為可能或更方便。如：
　　(1)用變頻器驅(qū)動取水泵取水，由人工根據(jù)清水池水位調(diào)節(jié)變頻器頻率，因為取水流量變化幅度小，清水池又有較大調(diào)節(jié)容積，所以人工調(diào)頻不會太頻繁；
　　(2)用變頻器驅(qū)動計量泵電機進行混凝劑、助凝劑或消毒劑等的投加，因為在一些情況下原水水量、水質(zhì)變化不大，而通過變頻器與計量泵配合可以精確定量，操作者易做到心里有數(shù)，由人工摸索最佳投加量也是可能的；
　　(3)用變頻器驅(qū)動風(fēng)機或水泵進行濾池氣洗或水洗，因為有些濾池的反洗程序本身就是人工操作的，由人工觀察濾池反洗情況，根據(jù)需要調(diào)節(jié)頻率大小和開機時間以控制氣量或水量的大小與反洗時間等，可以達到反洗效果最佳、水電消耗量最少的目的。
　　這些應(yīng)用是變頻器的基本功能，使用變頻器出廠參數(shù)，從操作面板直接調(diào)節(jié)頻率即可。
　　2、多段頻率的應(yīng)用——不連續(xù)調(diào)頻
　　在一些應(yīng)用場合，可以用變頻器的多段頻率功能達到工藝要求，這種應(yīng)用可以實現(xiàn)自動化，而給變頻器的是開關(guān)信號，實施簡單，可靠性也較高。如：
　　(1)根據(jù)平流沉淀池積泥規(guī)律將其分為若干段，并為每段設(shè)置一個吸泥行車行走速度(能將泥吸凈又不浪費水的合適速度)、然后將行走速度換算為驅(qū)動行車變頻器的頻率，設(shè)在行車行程上的限位開關(guān)信號經(jīng)變換后接入變頻器，控制變頻器的頻率切換；
　　(2)筆者曾設(shè)計過一套混凝劑溶解與濃度控制系統(tǒng)，固體混凝劑用水力循環(huán)進行溶解，循環(huán)水流由變頻器帶動水泵驅(qū)動，該水泵同時用于向溶液池輸送藥液，經(jīng)工藝設(shè)計使循環(huán)溶解所需水泵揚程大于輸液所需水泵揚程，當檢測濃度大于設(shè)定值時控制變頻器以低頻運行，只輸液不溶解，由于補水由浮球閥控制，在藥液使用消耗時不斷補水，濃度逐漸降低，當濃度小于設(shè)定值時，控制變頻器以高頻運行，既輸液又溶解，藥液濃度不斷提高，如此重復(fù)；
　　(3)有一類無塔供水設(shè)備，其原理是將供水流量或壓力傳換為若干開關(guān)信號，變頻器根據(jù)這些開關(guān)信號狀態(tài)改變頻率，并驅(qū)動加壓水泵以不同轉(zhuǎn)速工作，達到保證供水的目的。
　　3、由外部信號直接給定頻率的應(yīng)用
　　這是變頻器的一類常見應(yīng)用，即將生產(chǎn)過程中的某一檢測信號輸入到變頻器的AD口，由這一信號直接給定頻率或經(jīng)變換后給定頻率。如：
　　(1)在自動控制系統(tǒng)中，由控制器（如PID調(diào)節(jié)器、PLC或微機等)輸出控制信號(模擬信號或數(shù)字信號)，并直接接入變頻器中作為頻率給定信號；
　　(2)在水處理工藝中，當用流量比例控制助激劑或消毒劑等的投加時，可以將水處理流量信號輸入變頻器中，作為給定頻率控制計量泵的轉(zhuǎn)速；
　　(3)將聲、光傳感器的信號輸入變頻器中作為給定頻率，由變頻器驅(qū)動噴泉循環(huán)水泵，使得噴泉的水柱高度隨著燈光或音樂的強弱而變化，形成奇妙的動態(tài)變化噴泉效果。
　　4、定值閉環(huán)控制應(yīng)用
　　該類應(yīng)用是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)工業(yè)過程的閉環(huán)控制，并使被控制量(流量、壓力、溫度等)保持恒定。如：
　　(1)變頻恒壓供水設(shè)備的構(gòu)成方案之一就是不依靠單片機、PLC或PID調(diào)節(jié)器等控制設(shè)備，而是直接將供水壓力信號直接輸入變頻器中，由變頻器將其與設(shè)定壓力值比較，并通過內(nèi)部PID或PI算法控制水泵轉(zhuǎn)速，達到水壓恒定；
　　(2)在水廠流動電流檢測單閉環(huán)混凝劑投加系統(tǒng)中，可以將反映投藥量的流動電流檢測信號直接輸入驅(qū)動計量泵的變頻器中，由變頻器將其與設(shè)定流動電流值比較，并通過內(nèi)部PID或PI算法控制計量泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最佳投藥量控制;
　　(3)在水廠取水泵站，將清水池水位信號直接輸入驅(qū)動取水泵的變頻器中，由變頻器將其與設(shè)定水位值比較，并通過內(nèi)部PID或PI算法控制水泵轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)清水池水位恒定控制。
　　5、變值閉環(huán)控制應(yīng)用
　　該類應(yīng)用也是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)工業(yè)過程的閉環(huán)控制，但被控制量的設(shè)定值不是由人工給出，而是要借助其它控制設(shè)備(單片機、FLC、FID調(diào)節(jié)器、計算機等)根據(jù)一定規(guī)律自動給出，而給出的設(shè)定值往拄是易變的。如：
　　(1)對于城鎮(zhèn)送水泵站或加壓泵站，也可采用變頻調(diào)速進行供水壓力閉環(huán)控制，但恒壓供水不是最理想方案，供水壓力應(yīng)根據(jù)供水流量或用水時段設(shè)定，常用用一臺PLC或單片機等根據(jù)供水流量或用水時段等計算水壓設(shè)定值，由變頻器根據(jù)實測水壓與設(shè)定水壓之差，用內(nèi)部PID或PI算法控制水泵轉(zhuǎn)速；
　　(2)上述水廠流動電流檢測閉環(huán)控制混凝劑投加系統(tǒng)中，因流動電流檢測值漂移等原因、流動電流最佳設(shè)定值也不是常數(shù)，有一種方案是利用濾前水濁度修正流動電流設(shè)定值，即構(gòu)成所謂雙閉環(huán)控制，用一臺PLC或PID調(diào)節(jié)器根據(jù)濾前濁度與設(shè)定濁度差值來調(diào)節(jié)流動電流設(shè)定值，再將設(shè)定值輸入到變頻器，由變頻器將其與檢測值比較并根據(jù)內(nèi)部的PID或PI算法控制投藥計量泵轉(zhuǎn)速；
　　(3)在濾池反洗控制中，可用變頻器驅(qū)動反洗水泵，將反洗流量檢測信號輸入變頻器，可由變頻器的PID或PI算法組成反洗流量控制系統(tǒng)，用單片機、PLC或微機編制程序使反洗流量按一定規(guī)律變化，則可以構(gòu)成效率最高和最節(jié)水的變速反洗控制系統(tǒng)。

　　四、結(jié)束語

　　交流變頻設(shè)備的使用為許多工業(yè)過程帶來了高質(zhì)量和高效益。，供水行業(yè)越來越多的應(yīng)用者也深深地體會到了這一點。
　　隨著交流變額技術(shù)水平的不斷提高，也隨著行業(yè)應(yīng)用者水平的不斷提高，人們將可以為交流變頻設(shè)備在供水行業(yè)找到更多的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方案，甚至交流變頻設(shè)備的應(yīng)用也可能引起供水工藝本身的革新。