變頻器在恒壓供水系統中的應用研究

王新強，黃 杰，孫 皓，張亞峰

（1．中原工學院，鄭州450007；2．榮成電業局，山東 威海264300；3．中國國家知識產權局，北京100088）

變頻器在恒壓供水系統中的應用研究

王新強1，黃 杰1，孫 皓2，張亞峰3

（1．中原工學院，鄭州450007；2．榮成電業局，山東 威海264300；3．中國國家知識產權局，北京100088）

提出了一種恒壓供水系統設計方案，從節能角度介紹了變頻器與PLC在該恒壓供水系統中的控制方式以及參數設置．系統運行結果表明，該系統不僅節能、控制可靠，而且使用方便．

變頻器；PLC；恒壓供水；節能

目前，常用的生活給水設備可分為非匹配式與匹配式兩種．非匹配式給水設備的特點是系統的用水量一般要小于水泵的供水量，需要放置專門的蓄水設備，如水塔、高位水箱等，以便將多余的水或全部的水暫時蓄存起來．當存水達到蓄水設備上限時，蓄水設備向用水系統供水，水泵停止工作；當存水被用到蓄水器的水位下限時，水泵開始工作，向蓄水設備供水．匹配式供水設備的特點是水泵的供水量隨著用水量的變化而變化，不存在多余的水量，不用設置專門的蓄水設備，其水泵的供水速度可以調節．

近幾年來，由于電子技術、計算機控制技術的迅速發展以及人們節能意識的日益增強，變頻調速裝置的應用越來越廣泛，并且開始在工業與民用供水系統中應用．由于變頻器的使用，供水系統可根據用水量的變化，隨時調整電機的供電頻率，實現水泵轉速的自動控制，以保證供水量隨用水量的變化而變化，從而維持供水系統的壓力穩定；省去了水塔和氣壓罐，既節能又節省面積［1］．

本供水系統采用了變頻主泵＋變頻輔泵的設計方案．此方案與其他方案相比，適用于用水量不大、供水可靠性要求不太高的場所，尤其適用于自備水井的企事業單位；可利用原有水泵及管網，使整個系統穩定可靠地運行，工程量小，見效快，而且節能．并且兩臺泵既可由變頻器供電，也可由配電系統直接供電，實現全速運行．通過使用變頻器自帶的PID調節器及可編程控制器控制，整個系統的水壓保持在一定范圍內［2］．

1 系統設計原理

1．1 供水系統的主電路原理

本系統主電路利用兩個小功率水泵作為供水泵，同時為了節約水資源，在排水池中利用兩個排水泵將供出的水再排回供水箱，使整個水系統形成一個回路．并利用變頻器、可編程控制器進行恒壓供水控制．本系統的雙泵恒壓供水主電路圖如圖1所示．

1．2 變頻調速控制原理

本系統主要利用變頻器所具有的PID控制、可編程控制器、水壓傳感器，組成單閉環PID控制，使水壓穩定，同時保持變頻泵在整個過程持續運行．這里需要說明的是，由于實驗中所使用泵的功率較小（揚程15 m，流量4 m3／h，功率0．55 k W），因此水壓穩定在0．1 MPa．同時利用變頻器的24 V直流電源作為水壓傳感器的驅動電源，傳感器的反饋信號為4～24 m A直流電流．圖2所示是在壓力罐穩定加壓下所得出的水壓與傳感器反饋信號電流的關系曲線圖．由圖2可以看出，水壓與反饋電流呈線性等比例關系．

1．3 閉環控制接線流程

首先將變頻器的數字地與模擬地相連，即變頻器

的24G端與AIC端相連，將24 V輸出點接水壓傳感器的正極，再將負極接入變頻器的AV2端口（PID回授端子），組成閉環控制．此時應注意的是將變頻器的參數P＿163選擇為0，即電壓輸入有效［3］．變頻器主要參數設置如表1所示．

表1 變頻器參數設置表

接著利用變頻器的多機能輸出端子RIA、RIC（常開）接入PLC的I1輸入，R2A、R2B（常開）接入PLC的I2輸入，同時將PLC的Q1、Q2、Q3、Q4輸出端分別接入兩個泵的控制回路中，進行雙泵的啟停控制［4］．控制系統接線圖如圖3所示．

圖3 控制系統接線圖

1．4 PLC主程序流程

變頻柜控制程序采用模塊化設計，控制流程如圖4所示．當系統用水量增大時，變頻泵頻率升高；當頻率高于工頻50 Hz時，變頻器發出高頻信號給PLC，PLC延時2 min，給出的信號使工頻泵運轉；當用水量慢慢減小，頻率低于變頻器下限頻率時，變頻器發出低頻信號給PLC，PLC延時3 min，給出的信號使工頻泵停止運轉［5］．

圖4 供水裝置控制流程

2 問題討論

在整個設計過程中，也出現了不少的困難和問題，這里將比較重要的一些問題給予總結．

（1）變頻器的運行控制模式．最初設為V／F速度模式．經過實驗，發現閉環控制很不穩定，而整個系統所要實現的是水壓恒定，因此這種控制模式不適合本系統，最終變頻器的控制模式改為向量模式，即P＿2＝1、P＿4＝1（具體變頻器參數設定見表1）．通過實踐證明，控制模式修改后，整個系統運行效果良好．

（2）水壓傳感器的24 V電源驅動．當直接利用了一個外接24 V直流穩壓電源時，發現這樣既增加了系統的投資，同時閉環的接點增多，增大了誤差與錯誤率．而后將變頻器的的數字地與模擬地相連，即變頻器的24G端與AIC端相連，然后直接將變頻器的24 V電源作為水壓傳感器的電源驅動，調試結果表明，系統誤差明顯減小．

（3）水壓傳感器的位置選取．當選取1＃水壓傳感器時，發現由于管道水阻與水壓差高的問題，造成反饋信號電流非常低，比正常情況下要低4～6 m A，根本無法形成閉環控制．當選取2＃水壓傳感器時，打開變頻水泵，會發現反饋電流時高時低，幾秒鐘后，隨著頻率上升到25 Hz，電流才逐漸變穩，但頻率達到工頻50 Hz時，反饋電流仍然比正常情況下偏低2～3 m A．經查閱水泵的頻率運轉曲線發現，由于2＃水壓傳感器太靠近水泵，因此在低頻時水壓不穩定，致使反饋電流時高時低；在頻率達到工頻時，靠近變頻泵的水壓仍然不穩．為了解決這個問題，我們重新將2＃水壓傳感器移至新的位置．實驗結果表明，效果明顯好轉，反饋電流隨水壓呈線性變化．

3 結 語

本文所設計的供水系統采用的變頻供水設備不僅改善了供水水質，穩定了供水水壓，又大大降低了能源消耗，且自動化程度高，充分發揮了變頻調速的節能潛力．

［1］張向東，鐘媛媛，王偉．變頻器內置PID功能在恒壓供水系統中的應用［J］．電站設備自動化，2001（3）：23－24．

［2］馬良河，楊潔浩，葉建強．交流電機變頻調速性能試驗系統的研究［J］．電機與控制應用，2010（1）：44－46．

［3］朗朗，陳躍東．用模糊控制和變頻調速實現恒壓供水［J］．電子科技大學學報，2004（1）：79－82．

［4］賀玲芳．基于PLC控制的全自動變頻恒壓供水系統［J］．西安科技學院學報，2000（3）：243－245．

［5］陳成勇．多泵自動循環切換恒壓供水變頻調速系統［J］．自動化技術與應用，2010（1）：114－117．

The Application of the Transducer for Constant Pressure Water Supply System

WANG Xin－qiang1，HUANG Jie1，SUN Hao2，ZHANG Ya－feng3
（1．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2．Rongcheng Electric Power Bureau，Weihai 264300；3．State Intellectual Property Office of The P．R．C，Beijing 100088，China）

In this paper，a constant pressure water supply is proposed．According to the demand of Energy Saving，the paper sets forth how transducer is controlled，its parameters are set up in the constant pressure water supply．The test has been verified that this system has reliable function，simple operation and energy conservation．

transducer；PLC；constant pressure water supply；energy saving

TP211＋．51

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．05．019

1671－6906（2011）05－0072－04

2011－09－16

王新強（1979－），男，河南新鄉人，講師．