试论变频器在城市污水处理厂的应用

 【摘 要】 水是关系到社会能否可持续发展的一个重要因素。随着城市规模的不断扩大，城市人口超规模密集，城市生产、生活对水资源的污染已经成为了一个急需解决的难题。城市污水处理不当，将会成为制约国家可持续发展的主要原因之一，也将成为制约各大城市自身发展的瓶颈。城市水污染治理做为水环境保护的一个重要方面是我国长期坚持的一项基本国策，我国可持续发展战略要求城市污水集中处理效率能够达到20%以上。变频器的发展与PLC的应用随着科技的进步已经成为现实，本文主要讨论了变频器与PLC在城市水污染处理中的应用。 

　　【关键词】 变频器；城市污水处理；PLC 

　　1 前言 

　　城市污水的处理水平，越来越受到人们的重视，城市污水的处理效率已经成为了一个地区发展的标志。城市污水处理的发展变化很大，由最初的自然处理，发展到现在使用各种先进技术进行深度处理。处理工艺也从传统的活性污泥法发展到今天广泛使用的曝气生物滤池法加入变频器控制技术的方案。相对于其他的国家而言，我国的污水处理起步比较晚，很多城市污水处理率只能达到6%。因此，我国必须要借鉴国外先进的污水处理技术和经验，结合我国水污染的治理实际情况，进行研究、探索和利用。 

　　2 对城市水污染处理环节中要符合以下几个发展方向 

　　首先，污水处理的建厂投资要注意节省，我国是一个发展中国家，污水处理投资不是一笔小数目，因此对投资进行恰当控制是很重要的；另外污水处理运行费用也要节约，运行费用是污水处理厂经济成本的一个重要指标，处理工艺不同，运行费用就会有差别。其次，污水处理还需注意节约用地，我国人口多，人均土地面积太少，土地资源是我国很多城市发展规划的重点关注对象。最后，就是要将现代技术与工艺相结合，现代技术主要表现在电脑技术和自控系统设备的完美配合，表现在电工技术的快速发展，为环保工程的发展提供了有力支持。 

　　3 变频器控制系统 

　　在污水处理厂中，现在大都采用的是分散管理和集中控制相结合的方式，采用集中型的自动化控制系统。该自动化系统主要由设在中控室的集中监控计算机和分散的现场PLC（Programmable Logic Controller）各分站以及现场各种控制用仪器、仪表设备等组成，通过环形工业以太网将三者有机地结合在一起。在中央控制室，操作者可通过计算机检查各个阶段的工艺参数和电气参数，进行相应的处理，完成各个阶段的控制。现场PLC分站将所采集的工艺及电气参数上传给中央控制室的上位机，同时也可接受上位机传来的控制命令而执行相应的控制。在中央控制室中，操作者可以通过鼠标或是键盘轻松控制现场一些主要设备的启、停与调节，实现监控管理和数据采集以及相关分析。 

　　目前，随着污水处理工艺的发展，城市污水处理厂中曝气设备是不可或缺的。曝气设备一般可分为表面曝气设备和鼓风设备。曝气设备的冲氧工作主要靠鼓风机产生的空气吸入到曝气设备中去，然后使氧气与污水充分接触，产生气泡并运动，完成氧的传递与溶解。某污水处理厂所用鼓风机的额定功率为132KW，额定电压380V，额定电流185A，鼓风机房设有四台鼓风机，三用一备，保证了污水厂的正常运转与设备维修及非常时期应急使用，同时保障了电动机的使用寿命。在鼓风机工作的过程中，通过变频器实现对鼓风机的启动、停止、调速等一系列操作、控制。 

　　鼓风机的变频器一般都是选用ABB公司生产的、功率为160KW的大功率变频器对鼓风机进行控制。设置鼓风机的频率值，与每分钟转速值相对应；通过输入相应的数字来控制鼓风机的运行情况，1为启动、0为停止。设置鼓风机的运转，在操作前对其进行一系列的设置，然后进一步通过变频器的控制盘对鼓风机进行控制操作。等到一切操作正常后，就可以开始与PLC控制柜进行相互之间的链接，PLC的模拟量可以输出给远程给定的转速，PLC的数字量的输出模块也能够给变频器的端口以启动信号，能够实现远程对鼓风机的调节与控制。在完成PLC与变频器之间控制线路的连接之后，可以将变频器切换成远程控制模式，对PLC的变频端口给定速度信号，并且给定启动的信号，在变频器启动之后，就可以控制实际的运转速度。 

　　在运转的过程中曾出现过一些故障，大凡一般的故障都是模拟控制信号低于最小允许值，造成这种故障的可能原因主要就是有无信号的错误标准值不准或是控制电缆出现问题。但在对其故障排查的过程中，控制电缆没发现问题，PLC给定的信号经仪表测量，其电流也是在一定的范围之内，信号并没有出现问题。经过反复地检查回路信号和变频器参数的设定都没发现问题，而且仪器之间的误差也不是很大。根据考证，发现出现这种现象的可能原因会是电磁干扰造成的。改进的方式就是将变频器与PLC之间的信号线接地，并且继续测试，但结果并没有好转。实际情况是PLC 与变频器之间属于同一个接地系统，若是将变频器的接地线和PLC的接地线独立设置，结果情况发生了变化，设备运行都恢复了正常。 

　　4 变频器调控原理与发展应用 

　　人类变频的思想产生于100多年前，但是那时由于没有其他技术的支持，无法实现。交流电机的转速n= 60f/p（1-s）（其中n：电机的转速，f：电源频率，p：电机磁极对数，s：电机的转差率），从电机转速公式来看，交流电机转速的控制，最好的办法就是调节频率，因为电机转速与频率成正比，并且可以做到连续调节，实现无级变速，电机的启动、停止等变得非常方便。 

　　为了产生可变的电压和频率，设备首先要把电源供给的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫做整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要用于三相异步电动机调速，又叫变频调速器。由于变频器设备中产生变化电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。 　　变频器于70年代开始出现与应用。近来，由于集成高压大功率晶体管技术和电子控制技术的长足发展，加之电脑技术的飞速变化，变频器从而得到广泛应用。变频器的作用是通过改变交流电机供电的频率和幅值而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。 

　　变频器主要用于驱动交流电动机，实现交流电机的无极变速。变频器调节是一种高效的调节方式，在动车、高铁等领域目前已经成功实现了应用。又如鼓风机，用变频器来调节电机转速的快慢，就能改变风量的大小。变频器的主要作用除了改变电源电压大小、频率高低外，还可改变电机转矩、转速，实现平稳启动与停止。此外，变频器还有节能的好处，变频器节能主要有三点：①变频器内部有滤波电容，它的存放电功能可以提高功率因数；②变频器启动是平稳启动，避免其他大电流启动，消除各种启动损耗；③变频器可以控制电机的转速，当你的电机不需要快速运转的时候，变频器可以控制电机运行在你需要的转速状态，从而节约能源。 

　　鼓风机、水泵等大型电力设备，目前是城市污水处理技术中广泛使用的设备，而城市污水处理厂的绝大部分运行耗能就在于此。一般地，城市污水处理厂的这些设备配备是有一定富余系数的，且存在备用的现象，大部分正常工作时间实际上处于低负荷运行，电机转速经常不需要满负荷高速运转，存在巨大的调节节约空间，在城市污水处理厂以及各泵站中使用变频器将取得良好的技术经济效果。 

　　5 结语 

　　总之，水资源作为重要的经济发展因素，在生活中发挥着重要的作用。对污水的合理治理都会为经济的发展做出一定的贡献。变频器也是治理水污染重要的仪器设备之一，而污水治理的主要方法就是需要中央控制的集中监控级的计算机和现场PLC分站以及现场仪器、仪表联合控制治理。污水处理的主要方法就是曝气处理和鼓风机应用，这样对污水的治理效果很好。目前，变频器是一个先进的电器设备，不久的将来，变频器的应用技术必将成为普通电工的必备知识，我们的污水处理技术需要这样的设备来优化控制，达到节能环保的目的。变频器即将在污水处理领域得到推广应用。 

　　参考文献 

　　1 郑兴灿.城市污水处理技术决策与典型案例[M].北京：中国建筑工业出版社， 2007 

　　2 肖绪文.污水处理系统成套施工新技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2010 

　　3 黄维菊等.污水处理工程设计[M].北京：国防工业出版社，2008 

　　4 李文华等.污水处理厂工程自动控制系统[J].自动化应用，2010，9