1.概述

隨著電力技術的發展和變頻調速技術的完善，以變頻調速為核心技術的智能供水控制已經取代了以前的多泵開關和閥門調節供水方式。變頻率調速起動電流可限定在額定電流范圍內，從而避免在起動時對電網的任何影響。水泵啟動平穩，正常操作中的平均速度降低，從而延長水泵、閥等設備的使用壽命。同時，可以消除啟動和停機時的水錘效應。變頻器的性能穩定，操作簡單，功能也得到提升，使供水系統節省能源、水和勞動力，最終達到高效運行的目的。

2.應用

加里寧格勒水廠主要負責加里寧格勒三大區的供水，共有三個供水站：1＃泵站，2＃泵站和3＃泵站。每個水站有幾個泵組成，采用主干管供水。頻率轉換前，為了滿足各區的供水和水壓，通過多個泵開關和閥門進行調節；每天水泵的啟停次數要求更加頻繁；現場操作極為不便；水壓力難以恒定保持。由于水泵常常在工作頻率直接啟動，會受到較大影響，??以致水泵和軸承需要頻繁維修。2009年，我們公司的技術人員測試現場實際運行數據。根據這些運行參數，我們主張為每個水站加裝變頻器；變頻器的PID功能使得供水系統進行恒壓供水。2010年，我們在供水公司進行了頻率改進，解決頻繁啟停和高壓波動的問題。現在，操作簡單，并且該系統投入運行后，節能效果顯著。如圖一所示。

3.恒壓供水的原理

在實際工程中，最廣泛使用的調節器控制的原理是比例控制、積分控制和差分控制，簡稱為PID控制，也被稱為PID調節。PID控制器，結構簡單，性能穩定，操作可靠，調節方便，已成為工業控制重大技術之一。當控制對象的結構和參數不能完全掌控，精確的數學模型無法找到，或者控制理論的其它技術難以運用時，該系統控制器的結構和參數必須通過經驗和現場試車來確定，最方便的就是應用PID控制技術。通過按比例、積分和差分計算出的控制量來加以控制。

(1)比例（P）控制

比例控制是最簡單的控制方法。控制器的輸出和輸入之間的誤差信號是相稱的。如果僅有一個比例控制，那么系統輸出則顯示一個穩態誤差。

(2)積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出和輸入之間的誤差信號積分是相稱的。如果一個自動控制系統在進入穩態后顯示一個穩態誤差，那么該控制系統則被認為是帶有穩態誤差或誤差。為了消除穩態誤差，控制器必須引入“積分期”。該誤差的積分期取決于時間積分。隨著時間的增加，積分期也將增加。因此，即使誤差較小，積分期也將隨著時間的增加而增加。促使控制器輸出增加，同時減小穩態誤差，直至為零。當系統進入穩定狀態后，比例+積分（PI）控制器即會消除穩態誤差。

(3)差分（D）控制

在差分控制中，控制器的輸出和輸入之間的誤差信號（即誤差變化率）的差分是相稱的。自動控制系統解決了在誤差校正處理中可能發生的振蕩不穩定。理由是，有相對比較大的慣性模塊（相連）或滯后模塊，具有誤差抑制效果，其變動總是落后于誤差的變化。解決的辦法是“提前”抑制誤差變化；即，當誤差接近于零時，誤差抑制效果應為零。這意味著，只引入“比例”期往往是不夠的，因為比例期的效果是僅擴增誤差幅度。現在需要增加“差分期”，它可以預測誤差變化趨勢。所以比例+差分控制器可以把誤差抑制控制效果提前為零或負數，從而避免控制量的嚴重過載。對于大慣性或滯后被控對象，比例+差分（PD）控制器能改善系統調節過程中的動態特性。

為了保持該系統的一致控制量，請在控制量的位置安裝傳感器作為反饋元件。它會向控制器反饋控制量信號；控制器會對比反饋信號與給定信號，計算出調節量，從而控制受控對象，所以控制量總是保持在一定的范圍內。閉環控制圖如下：

閉環控制圖

4.設備選型和系統配置

基于參數和現場設備的工藝要求，結合我們公司CHH100系列高壓變頻器的功能特點，我們公司的技術人員給三個水泵站安裝了兩臺6kV/500kW高壓變頻器和一臺6kV/250kW高壓變頻器。主要技術參數如下：

根據現場條件，三臺CHH100系列高壓變頻器安裝在同一個房間。每臺變頻器控制三個泵站的一個電機的頻率。變頻器和現場電機的安裝請見下圖：

運行中的變頻器

運行中的電機

CHH100系列高壓變頻器具有內置PID功能，操作靈活。控制連接可采取多種模式，包括線連模式和通信模式。根據項目現場的實際情況，選擇了線連模式；變頻器通過操作柱遠程控制；系統的閉環和開環運行可以通過控制面板來選擇。變頻器控制界面和遠程操作柱請見下圖：

變頻器控制界面

遠程操作柱和測厚計

根據現場泵的特性和用戶的用水量的變化，結合CHH100系列高壓變頻器的功能特性，現場變頻器的PID相關參數設置如下：

5.節能效果

變頻器于2010年4月5日安裝完畢。按照現場生產要求，于4月8日對變頻器進行了試車并投入使用，4月11日-4月13日對水泵進行了電力節能測試。測試數據如下：

1)1#供水站水泵：

根據電表的實際讀數和兩天內的電網頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計算出該系統的節能情況。變頻改造后，1#供水站的綜合節能情況是：

每天節約電量=11160-8400kWH=2760kWH

節電率=（11160-8400）/21720×100%=24.73%

2)2#供水站水泵：

根據電表的實際讀數和兩天內的電網頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計算出該系統的節能情況。變頻改造后，2#供水站的綜合節能情況是：

每天節約電量=9360-6840kWH=2520kWH

節電率=（9360-6840）/9360×100%=26.92%

3)3#供水站水泵：

根據電表的實際讀數和兩天內的電網頻率和可變頻率模式下的耗電量，可以計算出該系統的節能情況。變頻改造后，3#供水站的綜合節能情況是：

每天節約電量=5280-3720kWH=1560kWH

節電率=（5280-3720）/5280×100%=29.55%

6.變頻的優勢

1)功率因數增加：當原始電機直接以電網頻率運行時，滿載的功率因數約為0.84。而變頻系統，在電源側的功率因數可提高到0.95，并且能夠滿足在沒有無功功率補償裝置情況下的電網要求。這進一步節約了上游設備的運行成本。

2)系統節能效果顯著：變頻器改進后，在滿足用戶要求的前提下，可設置一定的壓力來降低電機的耗電量。根據實際測試，泵站水泵的節電率達到24％以上。

3)設備操作簡單：變頻器改進并設置壓力后，操作簡單靈活，并能避免水泵的反復啟停。減少了對馬達和泵的影響，并且可以遠程監控。

4)恒壓主管：通過遠程給定的壓力，該變頻器的輸出頻率可自動調節，以保持恒定的壓力。減少了主管中的壓力波動，防止了管網上啟動頻率的影響，避免了管網壓力超限，并提高了供水質量。

5)設備維護成本降低：變頻器改進后，啟動順暢，降低了對電機軸承的影響。在正常運行期間，大部分時間頻率在50Hz以下。減少了對機械系統的磨損，從而減少了對設備的維護；同時也延長了設備的使用壽命。