供热系统换热站中的变频调速控制

供热系统换热站中的变频调速控制

李淼

（克拉玛依市独山子华茂实业建筑安装公司833699）

摘要：现代化的工业生产工艺对交流调速传动要求越来越广泛，同时生产过程中节能控制也需要进行变频调速。变频器以绝缘栅双极性晶体管作为主开关器件，采用微处理器和大规模集成电路控制，具有调速范围广、调速精度高、动态响应快、运行效率高且具有多种外部接口，与可编程控制器或者计算机通讯，能够完成各种自动控制调节，满足工业现场调速控制的需要，变频器已成为交流调速传动的主流，在供热系统自动调速控制的换热站中得到了广泛应用。

关键词：转速频率电动机变频器调速

1前言

我国西北地区的每年冬季供暖期约占全年总天数的1/2，供暖期间系统运行要消耗大量的煤炭、天然气、电、水等资源。随着经济的发展，环保与节能要求越来越高，我国城市已大量采用集中供热方式。为保证供热系统正常运行，提高供热的效率，降低各种能耗成本及热量损失，同时提高系统稳定性，保证用户室内温度达标，利用先进的科学技术、合理分配热量，必须采用一系列的检测计量及调节控制系统。

2换热站主要工艺流程

换热站主要设备有：换热器（板式或管壳式）、循环泵、补水泵、水箱、除污器、测量仪表、各类控制阀门等。一、二次网通过换热器进行逆流换热，自换热站出来的二次网高温采暖水去区域内公用及民用建筑采暖，返回换热站的二次网低温热水经循环泵送至换热器换热后温度升高，再外送采暖以此循环反复。采暖热水循环时系统存在一定量的水损失，为了保持循环水量，换热系统中设有自动补水设施，补水采用软化水，循环泵入口总线设有补水线，根据回水压力调节变频补水泵的频率，当回水压力小于系统设定值时，变频补水泵工作向系统补充新水。

3换热系统自动调节控制

3.1二次网供水温度调节

换热站基本控制方法就是确保二次网出水有一个恒定的设定温度，控制元件是一次网出水的电动调节阀，该阀门控制换热器的一次网供水流量。将预设定温度作为给定值，二次网供水线的温度变送器的温度信号作为反馈值，阀门的开度作为输出值，保证二次网供水温度的恒定。预设温度根据室外温度和换热站给定值计算得出，每个换热站均在室外安装了室外温度传感器，通过公式计算得出当前预设定温度，这个设定点是随着室外温度的变化和换热站给定值而改变。

3.2二次网供水流量调节

建筑物采暖的室内温度不仅与二次网出水温度有关，还与供水流量有密切关系。当温度设定值达到上限，单纯调节一次网供水流量已无法满足要求时，通过调节二次网供水流量，加快系统二次网循环、减小出口与进口温度差，能够补偿室内温度调节。循环泵的出口流量调节采用电动机变频调速开环控制，分阶段改变流量的调节，在不同的室外温度阶段调整循环泵的输出功率及运行台数。根据当地的历史气温及运行经验，气温在0℃以上，电动机转速为额定转速的80%；气温在-15℃～0℃时，两台循环泵运行，其中一台满负荷运行另一台为额定转速的50%；气温在-15℃以下时，两台循环泵均满负荷运行。通过对电动机的转速调节，既达到了补偿室内温度调节作用，而且又实现整个供热系统节能运行目的。对于驱动循环泵的大容量电动机，采用变频调速能够实现开泵、停泵的软起动和软停车，减少较大的起动电流对电网的冲击，水锤作用对系统管网的损害。

3.3二次网回水压力控制

为了保持热网运行的稳定性，二次网补水系统还应保持一定的水压即保持系统恒压点的压力稳定，通过循环泵入口的压力变送器的回水压力作为反馈值，采用补水泵电动机变频调速闭环控制补水泵转速，从而改变系统补水量，维持供水系统压力恒定。

4变频调速的基本原理

4.1三相交流异步电动机由于转子侧的电流不从外部引入，由电磁感应产生，故而具有结构简单、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，在工业生产中得到广泛应用。随着工业的不断发展和进步，生产过程中对调速的要求越来越高。对于笼形异步电动机，要调节转速，只有通过改变同步转速来实现。电动机的定子绕组通电产生旋转磁场，旋转磁场的转速n0称为同步转速，n0=60(f-电流的频率，p-旋转磁场的磁极对数)。由此可知，调节同步转速的途径有两种：

1、改变磁极对数p定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构，改变p必须将定子绕组绕制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。这种调速方法为有级的且级数少，调速平滑性较差，降低了电动机的效率。

2、调节电源频率f变频调速就是改变电源频率，这种调速方法调速范围广，稳定性和平滑性较好、机械特性较硬（即加上额定负载转速下降很少），属于无级调速。

4.2电动机的变频调速由变频器来完成，变频器输入端为工频50Hz的三相或单相交流电，输出端是频率在一定范围内连续可调（多数为0～400Hz）的三相交流电，接至电动机。当频率f连续可调时，电动机的同步转速n0也连续可调。异步电动机的转子转速nM总是比同步转速n0略低一些，所以当n0连续可调时，nM也连续可调。

4.3用于控制三相交流电动机转速的变频器，通常采用电压型、交-直-交通用变频器。将频率固定的工频交流电整流成直流电，直流环节的储能元件为电容器，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于直流电逆变成交流电的环节容易控制，因此在频率的调节范围以及变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。变频器的输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比进行调制，目前普遍应用的是占空比按正弦变化的正弦波脉宽调制（SPWM）。变频器由微处理器控制，逆变元件采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为输出器件，脉冲宽度调制的载波频率可以提高到15kHz，使负载电流的波形和正弦波接近，谐波分量很小，故降低了电动机运行的噪声，提高有效输出转矩，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

5变频器的主要特点及功能

5.1在无人值守的换热系统运行时，变频器一方面要驱动电动机完成交流调速传动、给电动机提供保护，另一方面向上要和PLC控制器进行通讯，接受来自现场和远程控制的起动、停止运行信号指令及4～20mA变频调速的模拟控制信号，同时给PLC控制器反馈电动机的实时转速频率、运行状态、电流等运行参数。在外部端口上，具有输入端口、输出端口及通讯接口，输入及输出端口具有多个模拟量、数字量输入输出功能（图6），且数字量输入输出端口采用模块化设计，能够通过组态定义端口功能，配置非常灵活。通讯端口通常采用RS-485串行总线，变频器所处工业环境恶劣、各种射频干扰均比其他场合大，一般变频器至可编程控制器的距离大多在100～200米内，传输信号损失较大。RS-485串行总线采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，通信距离可达几十米至上千米。

5.2变频器的交流调速传动控制主要采用U/f控制及矢量变换控制。U/f控制方式又称为VVVF控制方式，异步电动机变频调速按照一定的规律同时改变定子电压和频率，U/f控制是转速开环控制，通用性强，是使用较多的控制方式。矢量变换控制方式将定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，分别加以控制，提高了变频调速的动态性能。

5.3变频器保护功能由内部微处理器和数字集成电路完成，电气外部接线完成后调速传动运行前，在变频器的人机界面的面板上将控制的电动机各种参数输入到变频器内部存储器，系统运行时可以实时监测电动机的电压、电流、温度（需外接温度传感器）、频率，为电动机提供短路、过载（反时限特性）、过电压/欠电压、接地故障保护及变频器自身故障保护，故障信号可通过数字量输出端口的继电器发出，切断电气系统开关，并且将故障原因以代码显示在人机界面的面板上，方便了故障原因查找排除。变频器的内部保护功能大大简化了电动机控制保护线路，电气系统外部不用需要各种保护元件及检测单元（图7）。

6变频器的主要参数设置和说明

6.1电动机数据根据电动机的铭牌参数对应输入，主要有电动机的额定电压、电流、频率、转速、额定功率及功率因数。

6.2电动机控制方式通用变频器控制方式一般有U/f控制及矢量控制，U/f控制有线性、抛物线及可编程多点U/f控制；矢量控制无反馈和有反馈控制。控制方式要根据电动机拖动系统负载机械特性选择，换热站设备中的循环泵大多数采用离心式水泵，属于二次平方律负载（变转矩负载），对应选择抛物线特性的U/f控制。

6.3变频器运行命令源选择命令源是起动变频器开始工作的控制信号，主要有变频器操作面板按键和外部端口的数字量输入控制两种方法，当选择外部端口的数字量输入控制时，还需要对输入端口进行设定。

6.4变频器频率设定频率给定方法可以是利用变频器操作面板按键进行频率的数字量给定和调整，这种方法经常用于电动机的单机调试；预置给定是通过程序预置方法给定频率，变频器起动时，自行升速至预置给定频率并保持恒定不变；外接给定是根据模拟量输入端口上的外部输入的电压或电流信号，进行频率给定，选择外部给定同样需要进行输入端口的设定或标定，这种方法用于各种自动控制系统中。频率给定值设定有最小频率、最大频率，斜坡上升/下降时间，即电动机从静止停车/最大频率到最大频率/静止停车所需的时间等。

6.5外部端口的设定变频器外部端口有模拟量输入、输出端口，数字量输入、输出端口。数字量输入设定的功能有正转/停车、反转/停车、惯性自由及斜坡函数曲线停车、外部信号跳闸等；模拟量输入设定有电压或电流输入选择，对应的最小、最大模拟设定值的标定值；数字量输出设定的功能有变频器运行状态、电动机和变频器故障报警信号等，以继电器接点形式输出；模拟量输出设定有电压或电流输入选择，对应的最小、最大模拟设定值的标定值。

7结语

变频器交流调速传动的调速范围广，稳定性和平滑性较好，无论是静态特性还是动态特性都能满足现场工作要求，具有强大的外部输入输出功能，能和可编程控制器或计算机控制系统组态完成各种自动调速控制，因而在生产工艺过程中得到普遍应用。

参考文献

[1]《通用变频器及其应用》.韩安荣主编.机械工业出版社.

[2]《电力电子变流技术》.黄俊.王兆安编.机械工业出版社.

[3]《电机及拖动基础》.顾绳谷著.机械工业出版社.