变频调速节电技术在恒压给水控制系统中的实现

摘要：在居民生活区、企业生产供水系统等其它需恒压控制领域， 由于系统负载随着生产和生活的需求而发生不规律变化，传统的给水系统通常是通过调节节流阀门改变挡板阻力的方式来保证管网压力稳定。这种调压方式对泵的输出功率影响较小，也就是说系统负载大小变化对电机的输出功率影响不大。变频调速是通过改变电机频率和电压来实现管网系统的压力稳定，在系统运行过程中，由于水泵的轴输出功率与其转速的三次方成正比，当水泵降速运行期间其节电效果非常突出。因此变频调速和可编程控制器组成的恒压给水系统因其优良的节电性能，较高的可靠性能和自动化水平得到广泛使用。

关键词：变频调速；给水控制；节电应用

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）26-01-01

一、变频节电原理

变频调速技术，它是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技术。

1.水泵的节电原理就是用调速控制代替节流阀控制流量，这是一个节电的有效途径。

在用节流阀控制额定流量 Q1 =100% 输出时，则轴功率 N1 与面积 AH1 OQ1 成正比，若流量减半 Q2 =50% 输出时，则轴功率 N2 与面积 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 减少不多，这是因为需要节流阀阻力增大水压所致。如果采用调速控制同样流量减半输出时，转数由 n1 降至 n2 ，按电机参数比例定律画出 n2 时的特性曲线， C 点为新的工矿点，这时轴功率 N2 与面积 CH3OQ2 成正比，在满足同样流量 Q2 情况下，轴功能降低很多，节省的功率耗损 N 与面积 BH2H3C 成正比，可见节电效果十分显著。

2.水泵的工作原理可知：水泵的流量与其转速成正比；水泵的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵的轴功率与其转速的三次方成正比。

二、经济效益分析

北台生活区自来水管网供水系统采用3台130KW水泵，24小时不间断向居民供水。平均供水量400M3/h，采用人工观察压力表，调解管道节流阀方式进行水压和水量控制。供水高峰时段供水量很大，晚间供水量相对很小。平时供水时，流量基本保持在80%左右。该系统采用变频技术控制，以日平均流量80%计算，省电比率为48.8%，每天24小时运转，每度电费0.5元，每月节省电费量：132x48.8%x24x30x0.5x230/240=22，224元，经济效益非常好。

三、系统实现

变频恒压供水系统原理如图所示，系统主要是由变频器、压力传感器、液位传感器、可编程控制器（PLC）等部分组成。用户通过控制柜面板上的按钮、开关来控制系统的运行。

变频调速恒压供水系统以管网供水水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节，使供水的管网系统始终保持稳定的压力值；当用水量增加管网压力下降时，变频器频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器增加水泵投入数量；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小。根据用水量的大小由PLC控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。无论用水高峰时段还是夜间用水减少时段，系统始终保证管网压力稳定；采用该系统既实现了供水压力自动控制，又因为变频器的投入使用节约了大量能耗，降低了维护强度和运行成本。

由压力传感器反馈的水压信号（4-20mA）直接送入PLC的A/D口，通过设定给定压力值和PID调节参数值，并通过PLC计算何时需切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整。此外该系统还具有手动/自动操作，故障报警，运行状态，电流，电压、频率状态显示缺水保护等功能。特别是备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。

四、工作过程

1.运行方式该系统有手动和自动两种运行方式：

（1）手动运行按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1号～3号泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。

（2）自动运行合上自动开关后，1号泵通电，变频器输出频率从0Hz开始上升，同时内置PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，如压力不够，则频率上升到50Hz，1号泵由变频切换为工频，经过一段时间延时后如压力达不到设定值，启2号变频，变频器逐渐上升频率至给定压力，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始停机，同时根据内置PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

若有电源瞬时停电的情况，则系统自动停机；待电源恢复正常后，系统恢复运行，然后按自动运行方式进行启动1号泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。系统能自动完成对多台泵软启动、停止、循环变频的全部过程。

2.故障处理（1）故障报警当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。系统自动停机时，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。

（2）水泵检修要求系统在正常供水状态下，在一段时间内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制断电功能，可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行。

泵组的切换情况：开始时，1号泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1号泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2号泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3号泵，泵的切换过程同上；若开始时1号泵备用，则直接启2号变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2号泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3号泵变频启动，泵的切换过程同上。具体泵的切换过程与上述相同。

同样，若3台泵（1号、2号和3号）运行时，3号泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1号泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2号泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，有效防止了高层短时间缺水的现象发生，同时提高了供水质量。

泵的投切将遵循“先投先切、先切先投”的切换控制方式。即水泵在切换时，PLC根据其运行状况，将其自动排列至运行队列或待运行队列中，在下次切换时，PLC将根据其排列顺序，自动投切水泵。当水泵出现故障时，PLC自动将其从切换队列中退出，以便维修人员对其进行维修，而系统仍在全自动控制方式下运行，实现变频恒压变流量供水。

五、系统选型

PLC系统该系统采用的是三菱可编程序控制器FX2N-64MR型号，I/O点数为64点，PLC编程采用手持编程器编程。可进行离线编程和在线编程调试，提供了程序录入、编辑、打印和监控等手段。该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由变频器来控制。

变频器选用三菱FR-540系列变频器，该系列变频器采用最适磁通控制方式，实现更高节能运行。 内置PID，变频器/工频切换和多泵循环运行功能。柔性PWM，实现更低噪音运行。 内置RS485通信口。 75KW以上随机带DC电抗器。 凭借新开发的励磁控制，实现最高水平的省功率运行。由于对励磁电流进行最佳的调整，使电机效率得到最大幅度的提高，更进一步实现节能运行。