變頻調速在恒壓供水系統中的應用

屈文斌

(陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000)

0 引言

供水系統是國民生產生活中必不可少的重要環節，工廠為了穩定生產，提高產品質量，要求在一些生產過程中，堅決避免缺水或供水壓力不足事件的發生，由于供水壓力不足，可能會影響產品的產量或質量，且會導致部分設備不能正常工作，嚴重時甚至會造成設備損壞；居民的生活用水同樣受到供水壓力的影響，如在早上或晚上用水的高峰期，住在高層的居民由于水壓不足，在用水高峰期沒水，嚴重影響人們的生活，在高峰期過后住在低層的居民又由于壓力過大，容易產生爆管現象。以上這些情況對供水系統提出了新的要求，供水系統應依據不同時段對水量的不同需求，給水壓力相應的發生變化，用水高峰期提高水壓，用水少時水壓降低，合理調節供水壓力，提高供水質量。

1 恒壓供水的優點

1.1 提高供水質量

考慮到用水量是經常變化的，導致供水過?；蚬┧蛔愕那闆r時常發生，通過變頻器控制供水壓力的大小，精確有效的控制用水流量，保證供水和用水之間的平衡，即用水量大時供水量大，用水量小時供水量也少，從而提高供水質量。

1.2 節約能源

通過變頻調速實現恒壓供水與用閥門調節控制水泵出口壓力的方式實現恒壓供水相比，降低了管道的阻力及截流損失的能效；另一方面由于通過用水量的大小決定供水壓力，供水壓力大小又決定了變頻器控制電機的轉速，這樣系統在運行過程中能夠節約可觀的電能，產生明顯的經濟效益。

1.3 起動平穩

水泵電動機采用軟啟動方式，起動電流可以限制在額定電流以內，從而避免了電動機啟動時電流對電網的沖擊及電網電壓造成波動的影響，同時設定了加速時的加速時間，避免了由于電動機突然加速而引起水泵系統的喘振，對于較大的電動機還可省去降壓起動裝置。

1.4 消除水錘效應

所謂水錘效應是由于電動機在全壓下起動時，在短時內管道里的流量迅速從零增大到額定值，液體流量急劇變化在管道內產生沖擊力，沖擊管壁產生巨大噪聲，如同錘子敲擊管子。引入變頻調速后，可以依照要求，設定升、降速時間，將管道系統內的流量變化率減小到允許范圍，從而達到徹底消除水錘效應的目的。

2 變頻調速在恒壓供水中的應用

2.1 變頻恒壓供水系統構成

恒壓供水的目的是保證無論用戶用水量大小，在管網中總保持水壓基本恒定，這樣既能滿足用戶對水的需求，又不會使電動機空轉而浪費電能。將變頻器引入恒壓供水系統，水泵轉速由變頻器依據給定壓力信號和反饋壓力信號來調節，最終使管網中水壓恒定。變頻恒壓供水系統主要由智能調節器、變頻器、水泵機組及壓力傳感器構成，變頻恒壓供水系統構成示意圖如圖1所示。[1]

2.2 變頻調速原理

由電動機學可知，異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為

f——定子頻率（即電源頻率ZH ）

p——磁極對數

異步電動機的轉速為

式中 s——轉差率

從式（2）可知，要調節異步電動機的轉速應從s、p、f三個分量入手，改變這三個量中的任何一個量，就可以改變異步電動機的轉速n，但是s和p在調速領域內的應用范圍較小，而通過改變 f的大小，來調節轉速n具有高效率、寬范圍、高精度的性能，可以認為，變頻調速是異步電動機的一種非常合理和理想的調速方法[2]。

3 變頻恒壓供水設計

實現恒壓供水，通過在供水系統中引入變頻調速，系統可根據實際設定水壓通過變頻器自動調節水泵電機的轉速及加減泵，在供水系統將管網中的壓力保持到給定值，以達到最大限度的節水、節能，而且整個系統安全可靠。本設計采用在用水量逐漸減少時，先關閉變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節[3]。

3.1 恒壓供水主電路設計

本設計采用一臺變頻器控制兩臺電動機，當用水量大時，兩臺泵同時運行，一臺工作在工頻，一臺工作在變頻，當用水量小時，只需一臺電機工作，這樣既節省了設備投資又達到了恒壓供水的目的。具體控制過程為：用水不多時，恒壓供水控制是通過變頻器控制電動機M1，隨著用水高峰期的到來用水量的增加，M1的工作頻率也跟著增大，如果在M1已經升到最大頻率50Hz時，供水壓力還沒有滿足要求，將M1切換到工頻電源供電，與此同時將變頻器用來控制電動機M2，通過M2補充供水。當用水高峰期過后，用水量逐漸降低，盡管已將電動機M2的頻率降到0Hz，但供水壓力還是偏大時，則采取關掉工頻電源供電的M1，同時快速升高電動機M2的頻率，進行恒壓控制，恒壓供水系統主電路圖如圖2所示。

3.2 壓力控制切換區設置

為了避免用水量恰巧在一臺泵在工頻50Hz上下波動時運行，出現供水系統頻繁切換的狀態，容易將變頻器控制元件及電動機損壞，降低設備使用壽命事件的發生，需要設置壓力控制的“切換死區”。如所需壓力為0.2MPa，就可以將切換死區設制為0.2～0.25MPa?？刂七^程為：當M1的工作頻率在工頻時，如果壓力小于0.2MPa，就進行切換，使M1全速運行，M2進行補充。如果用水量減小，M2已完全停止，但壓力還是超過0.2MPa時，暫不切換，直到壓力超過0.25MPa時再切換[4]。

4 結束語

隨著變頻技術的飛速發展，將變頻調速技術引入恒壓供水系統，能夠擴大水泵高效運行范圍，使供水系統可靠運行，而且資金投入少，控制操作方便，節能顯著，最重要的是能夠滿足不同時期工業用水和生活用水的要求，避免了浪費，提高了供水服務質量。

[1] 宋秀英.變頻器在恒壓供水中的應用[J].實用技術，2010，19（6）：69

[2] 羅果，唐軍.變頻調速在中央空調系統節能中的應用[J].機械與電子，2010，7（1）：210

[3] 白巖，金文海，張宏偉.S7-200PLC在廠區變頻恒壓供水系統中的應用 [J]. 吉 林 化 工 學 院 學 報，2009，26（1）：84

[4]肖朋生，張文，王建輝.變頻器及其控制技術[M].北京：機械工業出版社，2008，140