变频恒压供水系统应用

《自动化应用杂志》2015年第三期

1电路结构

变频恒压供水系统一般由数台水泵驱动实现供水。这些水泵并不是同时工作的，而是根据用户用水量的多少和当前管网的水压由PLC自动地控制哪台水泵工作，哪台水泵暂时停止的。以3台水泵为例，控制水泵驱动电机的主电路如图2所示。水泵1、水泵2、水泵3的工频运行分别由接触器KM1、KM3、KM5控制，其变频运行分别由接触器KM2、KM4、KM6来控制。控制同一台水泵电机的工频接触器和变频接触器（如控制水泵1的KM1和KM2）如果同时接通，将导致工频电源和变频器的输出端相连接，使变频器的逆变桥迅速损坏。所以，控制同一台水泵电机的工频与变频的接触器必须有可靠的互锁环节。另外，变频器的价格比一般的电气设备高，从节省投资的角度考虑，一般选择只用一台变频器拖动的方式。工频运行的水泵对水压起到“粗调”的作用，而精确控制压力的“细调”是由变频器来实现的。工频运行的水泵电机其能量消耗是确定的。系统实现节能的主要途径：系统能够根据用水情况，停掉一些工频运行的水泵，既避免了压力过高，又实现了节能；可以使某台水泵变频运行，变频降低转速具有很大的节能效果。

2控制原理与流程

供水压力是通过PLC控制各水泵的轮流工作实现“粗调”和变频器对单台水泵的“细调”来实现的。

2.1“粗调”的实现（1）加泵：当反馈的实际出水管网压力小于设定压力导致变频器的输出频率上升至上限频率时，如果实际出水管网压力仍低于设定压力一定范围一定时间，则当前泵切换为工频运行，重新启动另一台水泵变频运行。（2）减泵：当反馈的实际出水管网压力大于设定压力导致变频器的输出频率下降至下限频率时，如果实际压力仍高于设定压力一定范围一定时间，则停止变频泵的运行，并将正在工频运行的一台水泵变为变频运行。

2.2“细调”的实现水压闭环控制原理如图3所示。PID控制器既可以用PLC编程实现，也可以用变频器的内置PID算法实现。

2.3工-变频切换的控制流程以实际压力小于给定压力为例，PLC对某两台水泵之间工频和变频进行切换的逻辑关系（多台水泵可类推）如图4所示。

2.4休眠状态当系统处于单泵变频运行时，如果用水量急剧减小甚至为0时，变频器频率会降至频率下限以下，当这种情况持续一定时间时，系统停掉所有运行的水泵，仅由储气罐来保压。比如，在夜晚休息基本无用水需求时，系统进入休眠状态，将极大地节省电能消耗。处于休眠状态的控制系统当检测到管网压力降低一定范围时，退出休眠状态，恢复供水。

3不同供水方式的功耗对比

水泵的扬程特性与功率消耗关系如图5所示。水泵供水流量的调节可以通过两种途径实现：（1）水泵电机转速不变，改变出口阀门开度的阀门调节法(不用变频器使所有水泵均工频运行，用户阀门开度改变时流量改变即属于此法），如图5中的曲线①和②。关小阀门减小供水流量（流量Q1减小为Q2，水泵实际工作点由B点移动到E点），所需供水功率由矩形OABC的面积变为ODEF的面积，面积有减小，但减小量很小。（2）出口阀门开度不变或全开，改变水泵电机转速的转速调节法，如图5中的曲线③和④。当水泵电机的转速从额定转速下降，同样使供水流量从Q1减小为Q2，水泵的实际工作点由B点移动到H点，其所需供水功率由矩形OABC的面积变为ODHG的面积，面积减小量非常显著。相比与高层建筑而言，生产车间一般高度较低，需要的空载功率较小，可以提供较宽的电机调速范围，所以节电效果更为显著。某轧钢车间高压除鳞水泵应用变频改造前后的电能消耗对比如表1所示，可以看出变频改造后节省的电能和费用都相当可观。

4结语

随着资源和环境矛盾的日益突出，变频与计算机等高效和智能化技术在未来建设中必将获得越来越广泛的应用。

作者：乔志刚熊薇薇单位：武汉理工大学华夏学院信息工程系