变频器恒压供水系统组成及工作原理

    恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

    1．系统构成。

    一般供水系统有三台水泵组成，三台水泵由一台小水泵和两台大水泵组成，通过三台水泵的协调工作来满足供水需要。系统组成如图10-35所示。

    该系统由一台PLC、两台变频器、两个压力传感器、控制柜及相关设备组成。利用一台变频器可以控制两台大水泵（2#、3#水泵）的运转，小水泵（1#泵）始终处于工频运转，两台大水泵由变频器的控制实现变频工况运转。

   1#水泵工频运转一般不能满足白天的最小用水量，因此白天供水时首先投入1#水泵和2#水泵，2#水泵工作在变频启动状态，随着供水压力会自动调节变频器输出频率的高低以保持供水压力的恒定，在用水量不大时，2#水泵和1#水泵同时工作可以满足要求，如果供水需求量增大，2#水泵会自动切换到工频状态，并给PLC发出信号，继而变频启动3#水泵，此时1#、2#水泵工作在工频状态，3#水泵工作在变频状态。由于3#泵的自动调节功能，从而保证恒压供水。控制系统硬件组成图如图10-36所示。

    图10-35    系统组成框图

    图10-36    控制系统硬件组成图

    注：MC1、MC2互锁，MC3、MC4互锁，MC6用于切断2#水泵运行，MC7用于切断3#水泵运行

    该系统构成具有结构简单，系统成本低，可靠性高等特点。该系统选用FR -500日本三菱变频器，具有以下功能：

   (1)自动切换变频/工频运行功能。变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：

    方式0：基本工作方式。变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率，控制其他辅助泵启停。即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵。由此控制增减工频运行泵的台数。

    方式1：交替方式，变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，使辅助泵工频运行，此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是1#泵→2#泵，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为2#泵→1#泵。

    方式2：直接方式。当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。

   (2) PID的调节功能。由压力传感器反馈的水压信号（4~20mA或±SV）直接送入PLC的A/D口，设定给定压力值，PID参数值，并通过PLC计算发出需切换泵的操作的控制指令，系统参数在实际运行中跟踪调整，使系统控制响应趋于设定工况。

   (3)“休眠”功能。系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水（如夜晚）情况，为了节能，该系统设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止工作，2#、3#泵不工作（处于休眠状态）。当水压继续升高时将停止1#泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2#泵或3#泵，当频率到达一定值后将启动1#泵调节2#或3#泵的转速。

    “休眠值”（变频器输出的下限频率）用PR507设置，“休眠确认时间”用参数PR506设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间tn如小于休眠确认时间td时，即td<tn时变频器继续工作，当td>tn时变频器将进入休眠状态。

    “唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值时由PLC发出指令唤醒变频器工作。经测试该系统“休眠值”为10Hz，“休眠确认时间”td为20s，“唤醒值”为70%。

   (4)通信功能。该系统具有与计算机通信功能，PLC、变频器均提供有RS232或485接口，PLC可选用西门子的S7 -200系列产品可与一套或多套系统进行通信，利用上位计算机同时可以监测：电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频器的各类参数。该系统设有手动/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。

    2．运行特征。

    以三台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，PLC控制变频器软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时（Qmax为三台水泵全部工频运行时的最大流量），PLC中的CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。当用水量Q在1/3Qmax<Q<2/3Qmax之间时，1#泵已不能满足用户所需的用水量，这时可编程控制器发出指令将1#泵转为工频运行，并软启动2#泵，使2#泵进入变频运行工况，2#泵的运行转速由用户用水量决定，以保证供水系统最不利点所需的供水压力。当外需供水量Q为2/3Qmax<Q<Qmax时，PLC发出指令再将2#泵置于工频运行状态，同时软启动3#泵进入变频运行工况，此时3#泵的运行转速由用户的用水量确定，以保证供水系统最不利点的供水压力恒定。

    当外供水量减少至1/3Qmax<Q<2/3Qmax之间时，3#泵的转速逐渐降至接近于零，此时PLC发出1#泵退出运行指令。在1#泵退出运行后，3#泵的转速逐渐升高，继续处于变频运行工况，其转速仍由外供水量决定。当外供水量继续减少至Q< 1/3Qmax时，可编程控制器发出2#泵退出运行指令，此时3#泵仍处于变频运行工况。当外供水量再增至1/3Qmax<Q<2/3 Qmax之间时，3#泵转为工频运行状态，可编程控制器发出1#泵软启动指令并使其进入变频运行工况，如此往复循环以实现系统的恒压供水。

    3．系统经济效益分析及系统优点

   1)经济效益分析。变量泵的功率N1、供水量Q1与泵转速n1三者的关系如下式

   N1/Q1=(n1/n)3    (10-14)

   Q1/Q=n1/n    (10-15)

式中Q-额定流量，Q1 <Q；

   N-额定流量Q时的轴功率，N1<N；

   n-水泵的额定转速。

    因额定流量Q= 100%时，n=100%，N=100%，若n1=90%n时，Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可节电27.1%。若n1=80%n时，Q1·800Q，N1=51.2%N，即可节电48.8%。

   2)系统优点。

   a)恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力和减少截流损失的效能。

   b)由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

   c)因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

   d)水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。

   e)由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。