變頻器在恒壓供水系統中的應用

張瑞敏　趙艷芝

【摘 要】變頻器恒壓供水系統能全天24小時維持恒定壓力，并根據壓力的變化自動啟用和關閉備用泵，調節供水量，避免傳統供水中的水錘現象發生。文中從恒壓供水系統的硬件組成及特點出發，闡述了變頻器在恒壓供水系統中的應用。

【關鍵詞】變頻器；恒壓供水；PLC

1 供水系統分析及變頻器的特點

人們在生活和工農業生產中離不開水，水是生命存活的必備資源，是關系到人類幸福指數的核心物質。隨著社會的發展，人口數量不斷增加，城市人口逐年提高，住宅樓向高層化、集中化進展，人均日用水量也在急劇增加，使得在用水高峰期供水壓力不足，高層的建筑上不去水，而低峰期則壓力過高，又造成能源浪費。而壓力過高也存在著安全隱患，易造成爆管事故，同時影響正常供水和居民用水，給居民生活帶來不便。

社會的發展也伴隨著科技的創新，居民用水面臨的上述問題能夠得到很好的解決。為此，設計出變頻器恒壓供水方式。恒壓供水，是供水系統保持供水壓力恒定，使供水和用水之間保持平衡，即用水量多時供水量多，用水量少時供水量也少。這樣就滿足了在不同用水量狀況時總能保持供水管網中的水壓基本恒定，滿足終端用水客戶的需求。

變頻技術是應交流電動機無級調速的需要而誕生的，變頻器是把電網提供的工頻（50赫茲）交流電變換成輸出頻率連續可調的交流電，以實現交流電動機平滑變速運行的設備。（三相異步電動機轉速公式為：n=60f/p（1-s），f即為電源頻率P為電機極對數 s代表轉差率）交流電動機變頻調速技術是一項廣泛應用的節能技術，它可以實現設備的軟起動和軟停止，降低對電網的沖擊，同時也降低了設備的故障率，大幅減少了電能的消耗，同時減少了機械磨損，確保系統安全穩定、長周期運行。

2 變頻恒壓供水系統的硬件組成及控制原理

變頻恒壓供水系統是由壓力傳感器、變頻器、可編程序控制器（PLC）、水泵機組及若干輔助部件構成的閉環控制系統。

2.1 硬件的功能

壓力傳感器 壓力傳感器是將測得的壓力信號轉換成電信號的器件。是使用最為廣泛的一種傳感器，應用于各種工業自控環境中。壓力傳感器的精度直接影響系統的控制質量。變頻供水系統中的壓力傳感器一般采用電阻式傳感器或壓力變送器，壓力傳感器的輸出信號傳遞到變頻器。

可編程序控制器（Programmable Logic Controller），也稱為可編程邏輯控制器，簡寫為PLC。 是整個恒壓供水系統的核心控制部件。PLC是以微處理器為基礎，綜合計算機、通信、聯網以及自動控制技術而開發的新一代工業控制裝置。它使用可編寫程序的存儲器來存儲指令，實現邏輯運算、順序控制、計數、計時和算術運算功能。PLC的工作原理也就是通過對外部輸入的狀態進行檢測、并對輸入的數據進行運算和處理后，再輸出控制量。它具有編程簡單易學、工作可靠性高、安裝維護方便等特點。

變頻器 是一種將電網供電頻率50Hz的交流電轉換成輸出頻率連續可調的交流電的電氣設備，是輸出頻率可調的電源。因為異步電動機的轉速公式為n=60f/P（1-s），從中可以看出，改變電動機供電電源的頻率f，可以實現電動機的無級調速。在恒壓供水系統中變頻器接收來自傳感器采集的壓力信號，通過變頻器內部自帶的采樣程序及PID閉環程序與用戶設定的壓力構成閉環， 對終端設備電機（水泵）進行控制，以達到水泵恒壓力供水的要求。供水系統中可以一臺變頻器控制多臺電動機（水泵）即水泵組的運行，也可以每臺變頻器只控制一臺電動機（水泵）運行。

水泵組 把電動機和水泵連成一體，通過調節電動機的轉速來控制水泵水量和水壓的變化，是恒壓供水系統的執行機構。恒壓供水系統中通常設置多臺水泵（3臺為例），供水量大時開啟3臺，供水量小時開1臺或2臺。每臺水泵的出水管均有手動閥，以供維修和調節水量之用。水泵組中的水泵統一協調工作，以滿足供水需要。

2.2 變頻器恒壓供水系統的控制原理

壓力傳感器檢測管網壓力，將壓力信號轉換為標準電信號送進變頻器的模擬量輸入端，與設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內置的PID運算將結果轉換為頻率調節信號，以調整水泵電動機的電源頻率，進而實現控制水泵轉速，調節了供水系統的供水量，達到恒壓供水的目的。

自動運行時，由PLC控制電動機的工頻運行和變頻運行繼電器，依據條件進行增泵升壓和減泵降壓控制。每次運行先啟動1#泵，當用水量增高水壓下降，變頻器輸出頻率增加至工頻時，水壓仍低于設定值，由PLC控制將1#泵切換至工頻電網恒速運行，同時啟動2#泵并進入變頻運行，系統恢復對水壓的閉環調節，直到水壓達到設定值為止；如果用水量繼續增加，當2#泵加速運行變頻器輸出頻率達到工頻時，水壓仍低于設定值，由PLC控制切換至工頻電網恒速運行，同時3#水泵啟動變頻運行，系統對水壓閉環調節，直到水壓達到設定值為止；當用水量下降水壓增高時，變頻器輸出頻率降到啟動頻率而水壓仍高于設定值，停止該水泵的運行，系統恢復對水壓的閉環調節，使壓力重新達到設定值；當用水量繼續下降，每當減速運行變頻器輸出頻率降至啟動頻率時，則將此泵停止運行，直到剩下最后一臺變頻泵運行為止。

系統還設置了手動運行模式，該模式主要用于系統出錯或是變頻器的故障檢修。

3 變頻器恒壓供水的優勢

1）采用變頻器恒壓供水系統，實現了真正意義上的無人值守全自動供水控制；

2）電動機啟動電流從零逐漸增加到額定電流，啟動時間相應延長，對電網沒有較大的沖擊；

3）系統實現了軟啟動，消除啟動電流大的沖擊，減輕了機械啟動轉矩對電機的機械損傷，延長了電機和泵的使用壽命；

4）可以消除啟動和停機時的水錘效應；

5）系統可以按照需求來設定壓力，系統根據設定的壓力自動調節水泵轉速和水泵運行臺數，使設備運行在高效節能的最佳狀態，從而達到了節水節電節省人力的節能目的。

【參考文獻】

[1]張威.PLC與變頻器項目教程[M].機械工業出版社.

[2]張娟，呂志香.變頻器應用與維護項目教程[M].化工工業出版社.

[3]肖朋生.變頻器及其控制技術[M].機械工業出版社.

[4]白霞.變頻器原理與實訓[M].清華大學出版社.

[責任編輯：楊玉潔]