浅谈变频供水技术

[摘要]科学技术的不断发展，自动化系统在水利工程中的应用日趋广泛。供水与输水作为重要水利工程，其原有的管理和运行模式已不能适应现代化水利工程管理运行的需要。变频供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，能够有效提高供水输水工程的运行管理能力，在水利行业中得到了广泛应用。

[关键词]水利工程；自动化；变频；供水；

中图分类号：TV 文献标识码：A

前言

随着自动化的快速发展和在各个领域的渗透，使基于自动化技术的水利工程建设和管理发展到了一个新的水平，并展示出了强劲的生命力和应用前景。特别是变频供水技术的成熟和迅速普及，给水利自动化提出了新的要求。近年来，伴随着大量供水输水工程的建设及改造，变频供水技术在水利工程中的运用越来越广泛。变频供水技术的广泛应用标志着水利行业技术水平随着时代的发展不断进步。

二、变频器简介

变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器之所以能实现对电动机的调速功能，主要是变频器能够将电源的三相(或单相)交流电，经整流桥整流为直流电(交—直变换)，再把直流电经逆变器变为电压和频率可调的三相(或单相)交流电源(直—交变换)。其间电能不发生任何变化，而只有频率发生改变。三相异步电动机的转速计算公式为：

式中：n--转速； f1--供电频率； s--异步电动机转差率； p--磁极对数。

由上述公式可知，异步电动机调速的途经有改变磁极对数、改变转差率和调整供电频率。

三、变频与供水关系论述

在供水系统中，流量是最根本的控制对象。由水泵—管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果。变频器控制水泵，主要是通过变频器控制水泵的转速来调节水的流量，在普通泵的基础上增加了变频器控制。其工作原理为：风机水泵类负载，电机能耗与转速的立方成正比，使用变频控制水泵较使用进、出口阀门调节水泵要更加节能。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。另外使用变频器控制还可以减少起动电流和对泵的冲击，泵停车时还可以通过参数设置来避免泵的水锤效应。

变频供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。变频供水系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实现上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器速供水系统，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

四、变频供水的安全问题研究

（1）水锤效应的产生与消除

异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有0.25s。这意味着在0.25s的时间里，水的流量将从零猛增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。由此可以看出，产生水锤效应的根本原因，是由于启动和制动过程中的动态转矩太大。

水锤效应具有极大的破坏性:压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏水泵、阀门和固定件，大大降低供水质量。采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小，在系统停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，减小动态转矩，从而彻底消除水锤效应，大大延长了水泵及管道系统的寿命。

（2）供水电机及电网的保护

由于变频供水基本上都采用了变频软启动，启动频率低，启动电流小，因此，除了对供水机泵和供水管网有保护作用，还能有效地防止大电流对电机和电网的冲击，对供水电机和电网有良好的保护作用，供水系统电机直接启动与变频启动的对比表如下表所示。

五、对变频干扰的处理

凡是安装有变频器的测控系统一般都伴随着电磁干扰的问题。变频器的干扰问题一般分为变频器自身干扰；外界设备产生的电磁波对变频器干扰；变频器对其它弱电设备干扰3类情况。

变频器自身就是一个干扰源。变频器由主回路和控制回路两大部分组成，变频器主回路主要由整流电路，逆变电路，控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成,电力、电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，它要进行快速开关动作，因而产生高次谐波，这样变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波。所以对电源侧和输出侧的设备会产生影响。与主回路相比，变频器的控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其它装置产生的干扰。

如果变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰，电网噪声也会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电；浪涌、跌落；尖峰电压脉冲；射频干扰。其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。另外，安装变频器的配电柜与动力配电室相距太近的话，如果配电室配电柜有大电流流过，将在电流周围行成较强磁场，同样会对变频器的控制回路造成影响。针对以上情况，一般处理方法是要保证良好的接地，接地线愈短愈好，而且必须接地良好；控制回路线使用屏蔽线，而且屏蔽线远端屏蔽层悬空近端接地，一定不能双端接地；根据产品要求合理布线，强电和弱电分离,保持一定距离,避免变频器动力线与信号线平行布线，应分散布线；增加抗无线干扰滤波器，变频器输入和输出抗干扰滤波器或电抗器；采取防止电磁感应的屏蔽措施，甚至可将变频器用金属铁箱屏蔽起来；适当降低载波频率；若用通讯功能，RS485通讯线应使用双绞线。

反过来说，变频器对电网来说也是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，当变频器输入或输出电路与其它设备的电路很近时，变频器的高次谐波信号可通过感应的方式耦合到其它设备中去。其中电流干扰信号主要以电磁感应方式传播，电压干扰信号主要以静电感应方式传播。在本系统试运行初期，最为明显的就是对液位变送，频率设定及反馈等模拟量4-20mA信号的干扰，数值跳动幅度大，以至于无法正常读取。对于这种形式的干扰，首先需要判断扰的对象，是4-20mA供电电源受干扰还是信号线，最好用示波器查看一下信号线波形，可用以下方法降低、避免干扰：4-20mA信号电源用隔离变压器供电；4-20mA信号线用屏蔽线，与变频器三相输入输出分开布线；在4-20mA信号线上加电容（无极性）接地或加信号滤波电感。

六、结束语

新型的变频供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论在设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性和可靠性，自动化程序等方面，都是具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。变频供水系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化是未来供水设备适应城镇建设中网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

参考文献

[1] 邬晓峰.PLC控制器和变频器技术在门机上的应用[EB/OL].2009

[2] 付华.PLC控制变频器的应用[J].光盘技术，2009(2)：24