吕昕晟
罗克韦尔自动化控制集成（哈尔滨）有限公司
黑龙江省哈尔滨市 150081
摘要：目前，自动化控制技术在集中供热系统运用广泛。变频器作为集中供热电气自动化控制系统的调节环节，在供热系统自动控制过程中起关键的作用。该技术能够使供热系统电气自控的需求得到充分实现，大大提高供热系统的稳定性、安全性，并有良好的节能效果，大大节约能源消耗。变频器在供热行业保证供热质量、提高供热效率方面效果显著。
关键词：集中供热；电气自动化；变频器；
前言
集中供热通常是指热源通过城市高温供热管道将热水送至各居民小区企业中的换热站，在换热站内高温管道（一次网）中的热水与供热用户室内散热器的热水管（二次网）通过换热器交换热量，经过换热后二次网中热水流入各热用户。热源厂、换热站的循环泵、补水泵是用电的主要设备，如果采用直接启动或普通软启动器启动，由于不能调速运行，就需要用阀门进行节流控制，并且许多工况参数不易调节，造成能源浪费，甚至对管网的稳定运行造成一些不安全因素。如果采用变频器调速的方法，就会解决以上问题。在节能运行宗旨的指导下，变频器已成为绝大多数供数企业供热系统中的必选设备。其应用可使耗电量大大降低，节能效果十分明显，达到20%以上。
一、变频器的性能及其在自动化技术中的作用
1.变频器是主要以变频调速技术来控制设备运转速度的一种控制器。用它来控制交流电机时，能使电机实现无极调速。通常电机的运转速度代表了其的运行功率，根据这一原理变频器可以控制电机的能源消耗，与工频运行的电机相比，具有良好的节能效果。同时，变频器的无极变速性能可以极大地降低电机在启动或变速过程中产生冲击电流，避免对设备本身及被控系统产生不利的影响，能够延长设备的使用寿命，提高系统的稳定性、安全性。
2.自动化控制系统由测量单元、信号传输单元、数据处理单元、执行单元等组成，变频器作为一种数据处理单元与执行单元之间环节的控制设备，使得自动控制系统功能得以充分实现。首先，数据处理单元接受外界信号，经过分析、处理，将信号输出给变频器，变频器将接受的命令转化为自身控制电路的电源信号，将所需的电压、频率输送到电机，来平滑地控制电机的转速，使自动化调节系统更加精确、有效。例如，数据处理单元有PLC控制器，PLC控制器收集工艺流程中实时采集的温度、压力等参数，并与设定值进行比较、计算，或根据上位机发出的指令，将指令传输给变频器，变频器根据指令对电机进行启动、停止或者调快、调慢的操作，最终得到系统所需的参数。
二、影响变频器故障率的各种因素
1.变频器故障的时段规律
变频器的故障率与使用年限之间从概率上看有一定的曲线关系，如图1为变频器的典型行为率曲线。
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图1中所指的初期故障是变频器在按装调试和初期运行阶段出现的故障。变频器厂商尽管在生产过程中对整机的出厂检测能是故障率降到最低限度，但对个别零部件存在的隐患，一般需要经过一段时间的运行才能暴露出来。如电解电容需要运行100h左右的时间，有问题才会暴露出来。另外现场安装及调试运行初期的误操作也是造成这期间故障率较高的原因。偶发故障区间就是所称的使用寿命时间。当变频器投入使用后，在较长时间内很少出现故障。这期间的问题主要由于个别原件发生突然故障引起的，如变频器使用环境潮湿、高温、进异物等偶人性因素引起的变频器故障。这些故障的减少依赖于良好的工作环境和加强平时的维护保养工作。磨损故障区的故障率明显增高，是因为在长期运行过程中，变频器内的众多元器件老化，有些元器件已陆续到了使用寿命而自然损坏。为了延长整个变频器的使用寿命，必须坚持对变频器进行日常检查和定期检修工作。
2.元器件老化对变频器的影响
变频器的整体结构主要由主回路、驱动电路、开关电路、保护检测电路、通信接口电路、控制电路等组成。根据对我公司变频器的故障总结，当变频器运行接近10年的时候，其内部的一些易损件已经开始集中出现故障。其中最多的故障显示为变频器过载，其原因应是电流检测电路本身有故障了。即变频器还没有运行时电路已检测到有输出电流了，但实际上没有电流输出，大多是霍尔元件损坏或短路；另一种原因是驱动板电源部分故障使得驱动板供电部分出现问题，造成驱动板电压不稳定从而使得变频器无法工作。到了磨损故障区，其发生故障的原因多为元器件的劳损所造成的。这些易老化的元器件中电解电容的老化最明显，开关电源中的滤波电容超过使用寿命后，可是控制电路、驱动电路无法正常工作，变频器出现故障而停机。主回路的滤波电容超过使用寿命后，其充放电量不足，往往出现空载正常运行，一旦带上负载后频率升到一定数值是，因电压偏低报警而停止工作。
三、变频器在供热系统自控系统中的作用
集中供热系统通常采用水泵类负载对全网的水力工况进行调节。下页图1为热网运行简图。如图1所示，其中，利用循环泵保证热力站用户管网的循环流量，来实现热量的交换；利用补水泵给一次管网系统及各个热力站二次管网系统补水来保证管网的运行压力；利用一次网回水加压泵调节一次网系统由于管网较长等因素造成的水力失衡的问题，使各个热力站获得均衡的热量。
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1.变频器在热力站循环系统中的调节
热力站二次网通常采用“量调节”控制热量的输出，也就是调节热网中循环水的流量来控制热量输出的大小。系统依据二次网回水温度作为被控对象进行调节。在调节过程中，自动控制系统中的测量单元将现场测得的温度数据传输给现场控制器，现场控制器将接收到的温度数据与上位机的参数要求（根据室外温度得出）进行比较、计算，然后向变频器发出命令，变频器根据收到的控制信号，通过调节电源电压的频率来调节水泵的转速，实现对管网系统流速的控制，进而调节管网回水温度的大小。
2.变频器在管网自动补水系统中的调节
热网系统的水压是否正常直接影响系统能否稳定的运行。在实际运行中，用户管网系统的老旧现象较为普遍，易造成管网压力不稳定的现象。而以往采用电接点等方式控制补水泵进行补水，控制精度差，工频启动电流大，易造成设备损坏、系统运行故障等情况。在自动补水系统中使用变频器控制能够很好地克服上述问题。现场控制器预先设定适合管网运行的压力最低值和最高值，通过与测量单元获得的管网压力数值比较计算，管网压力达到最低值时启动补水泵，管网压力达到最高值时停止补水泵，保持系统水压稳定。在此过程中，由于变频器的平滑启动、无极变速的特性，降低了补水泵的故障风险和对管网系统的压力冲击。
3.变频器对一次网回水加压泵的调节
庞大的热力管网由于各热力站距总热源的距离不同，极易造成管网各点压力分布不均匀，从而造成供热质量的下降及能源的浪费。对此，在各个热力站一次管网系统中加装一次网回水加压泵及配置相应的变频器，每台变频器通过现场控制器与中央控制室的工控机相连接。工控机配置有组态软件与全网平衡软件，通过现场测量单元采集的压力、温度、流量等参数，采用一定的算法，通过现场控制器向各热力站一次网回水加压泵变频器发出各自相应的信号，输出不同的电压频率来调节加压泵的转速，促使一次网向各热力站输出热量均衡，减小热网的水平失衡。
结束语
综上所述，变频器作为供热系统电气自动化控制重要组成部分，使得自动化控制功能更加完善，达到最佳的控制效果。而且在有效保证系统调控的同时，也保证了系统更加稳定、安全的运行，并且具备优良的节能效果。
参考文献：
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