基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統泵組控制研究

邵光明，繆小平

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統泵組控制研究

邵光明，繆小平

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京210007)

變頻恒壓供水系統能夠根據水負荷變化自動調節水泵轉速或切換水泵運行的臺數，有效節約了電能，同時實現了水泵的軟啟動。通過分析變頻恒壓供水系統特點，提出基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統泵組控制方式，設計了一套以可編程邏輯控制器PLC為控制核心，結合變頻調速技術和PID調節等技術的自動恒壓變頻供水系統。該供水系統能夠有效地避免人為操作的復雜性且控制簡單可靠。

變頻恒壓供水；軸功率；泵組控制；變頻調速

0 引言

變頻恒壓供水系統能夠根據水負荷的變化自動調節水泵轉速或切換水泵運行的臺數，同時實現了水泵的軟啟動，從而有效避免了水泵起動時對供電電網以及機械設備造成的沖擊和人工操作的繁雜性，并有效節約了電能[1]。克服了水塔高位水箱重力供水、氣壓罐供水、電池滑差離合器調速以及恒速泵加壓供水等小區傳統供水方式的系統效率低、自動化程度低、水電資源浪費嚴重、供水可靠性差、水泵使用壽命短等缺點，是比較先進、合理的節能型供水系統[2]。

傳統的變頻恒壓供水系統以管路壓力為反饋信號，控制方式多采用單變頻器循環控制多臺水泵的方式。本文總結變頻恒壓供水系統的運行特點和控制方式，在分析系統運行過程中水泵揚程、流量和功率的變化規律的基礎上，提出基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統泵組控制方式。設計了一套以PLC為控制核心，以供水管網的水泵軸功率為反饋信號，結合變頻調速技術、PID控制與通信等技術實現的恒壓變頻供水系統。此系統可以根據用戶水負荷的變化自動調節水泵電機轉速和切換水泵運行的臺數來實現恒壓供水。

1 理論分析

1.1變頻恒壓供水系統簡介

變頻恒壓供水系統的基本控制策略：采用PLC與變頻器構成控制系統，完成供水系統的閉環控制，在用戶水負荷變化引起管網流量變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的[3]。傳統的變頻恒壓供水系統的控制目標是由壓力傳感器測量泵站出水總管的出水壓力，并將測量值傳遞到PLC，PLC將測量反饋值與系統設定的給水壓力值進行比較，其差值輸入PID模塊運算處理后，輸出模擬信號給變頻器，用變頻器調節水泵電機的運行頻率來實現恒壓供水[4]。

變頻恒壓供水系統的控制方式主要有兩種[5]：

(1) 每臺變頻器控制一臺水泵：這種控制方式需要給每臺水泵配備一臺變頻器，由于大型變頻器價格高，在水泵較多的場合初投資大。

(2) 單變頻器循環控制多臺水泵：當系統供水壓力不足需要加泵時，先將變頻泵轉換成工頻電路運行，然后變頻器帶動下一臺泵變頻起動；當系統供水壓力過高需要減泵時，先將變頻泵停機，然后將一臺工頻水泵切換至變頻運行。

在實際工程應用中，較多采用單變頻器循環控制多臺水泵的恒壓供水系統，這樣在保證系統正常運行的同時可降低初投資[6]。能夠實現系統水泵的軟起動，減小水泵起動時對電網的沖擊，同時有效避免了水錘現象，系統運行更加穩定。泵組通過PLC根據用戶的實際用水量投入適當的水泵臺數運行，自動調節變頻水泵的轉速以及切換泵組水泵運行臺數以達到供水管網壓力保持恒定的目標。

1.2基于水泵軸功率的控制方式研究

圖1為恒壓供水系統圖。變頻恒壓供水系統在運行過程中，水池的液面維持穩定，管路壓力測量點P與水池液面的高差基本不變。對于單變頻器循環控制多臺水泵控制的變頻恒壓供水系統，一臺水泵變頻運行，其余水泵工頻運行。工頻水泵運行時性能曲線不變，水泵的功率與流量和揚程有關[7]。供水系統運行過程，不調節水泵兩端截止閥，水泵管路進口與出口之間的阻抗S不變，將水泵管路入口和出口的管路及管件的阻抗視為水泵內虛阻抗的一部分。

圖1 恒壓供水系統圖

離心水泵功率計算公式[8]如下：

H=K2HX-SXQ2

(1)

(2)

其中，HX、SX、P0、α由水泵特性確定，對確定水泵為常數。H為水泵揚程即壓力測量點P與水池液面的高差，基本維持不變。水泵工頻運行時調速率K不變，Psh為水泵軸功率。通過水泵軸功率計算公式得到管路壓力設定值不變時，工頻水泵軸功率保持不變。對于單變頻器循環控制多臺水泵控制方式的變頻恒壓供水系統，維持工頻水泵軸功率穩定可以保證系統壓力維持穩定，達到控制系統正常運行的目的。利用水泵軸功率代替壓力測量點壓力值作為控制量和反饋信號，通過可編程控制器PLC控制系統運行。

圖2為變頻恒壓供水系統泵組水泵運行工況圖，N0為水泵工頻運行性能曲線，N1為水泵變頻運行性能曲線，N2為兩臺水泵并聯運行時性能曲線。系統運行中，管路壓力設定值HA，此時工頻水泵在額定工況點D運行。

圖2 變頻恒壓供水系統泵組水泵運行工況圖

當用戶水負荷減小時，用戶端管路中閥門開度減小，管路阻抗增大，管路性能曲線變陡，由S0變為S1，泵組的工作點由A變為B，此時供水壓力增大至HB。泵組軸功率減小，工頻水泵功率減小。此時PLC輸出減頻信號給變頻器，調小變頻泵頻率，使得工頻泵功率增大恢復到設定值，維持管路壓力的穩定。

當用戶水負荷增大時，用戶端管路中閥門開度增大，管路阻抗減小，管路性能曲線變緩，由S0變為S2，泵組的工作點由A變為C，此時供水壓力降低至HC。泵組軸功率增大，工頻水泵功率增大。此時PLC輸出增頻信號給變頻器，調大變頻泵頻率，使得工頻泵功率減小恢復到設定值，維持管路壓力。

2 基于水泵軸功率的泵組控制設計

2.1基于水泵軸功率的控制系統

控制系統主要由PID可編程控制器、變頻器、電能表、水泵組成，閉環控制流程圖見圖3。當用戶水負荷發生變化，閥門的調節使得管道阻抗改變，管路性能曲線變化，泵組的工作點變化，使得工頻水泵和變頻水泵的軸功率都發生改變。電能表將測得的水泵軸功率值傳送給PLC，PLC將測量反饋值與預設的功率值進行對比后，產生輸出信號調節變頻器頻率來改變水泵電機的轉速，從而維持管路壓力的穩定，并達到節能的目的。

圖3 控制流程圖

2.2基于水泵軸功率的控制方式

圖4 變頻器循環控制的恒壓供水系統圖

圖4為變頻恒壓供水系統泵組控制系統圖，4臺水泵為相同水泵，系統正常運行最多開啟3臺水泵，M4為備用泵。PLC通過邏輯算法控制繼電器電路，使水泵可以在工頻電路和變頻電路間切換。由于變頻器諧波對電路下方會造成影響，電能表測量水泵軸功率應位于變頻器的電路上方[9]。

PLC根據設定功率值和實際功率反饋值，產生輸出信號調節水泵電機的轉速以及切換水泵運行臺數，維持供水系統管網壓力的穩定。當用戶水負荷較小，一臺水泵可以滿足要求時，保持一臺水泵工頻運行，通過調節閥門運行。此時管路壓力可能大于壓力設定值，但壓力超出有限，對系統影響小。當用戶水負荷增大至單臺水泵不能滿足要求時，加入變頻泵運行。

系統起動時，首先軟起動M1，頻率由0 Hz逐漸增加至50 Hz后切入工頻電路運行，此時水泵的軸功率若小于功率設定值，不加泵。用戶用水負荷增大，M1軸功率增大，當功率反饋值大于功率設定值時，經延時濾波確定后，發出加泵信號，M2從0 Hz開始啟動。當M2的運行頻率達到設定的上限頻率時工頻泵功率反饋值仍大于設定值，經延時濾波確定后，將M2切換到工頻電路運行，變頻電路切換啟動M3。當三臺水泵都滿負荷運行還不能達到供水要求，管路運行可能出現故障，應及時檢修。

下面以M1、M2工頻運行，M3變頻運行為例說明用戶用水量減少時變頻恒壓供水系統的減泵運行控制。用戶用水量減少時，變頻器頻率減小，M3轉速降低，系統壓力維持穩定。當M3的運行頻率達到設定的下限頻率時，通過延時濾波確認后，發出減泵信號，將M3從電網中切除，將M2切換到變頻電路運行。用戶用水負荷進一步減小，當M2的運行頻率達到設定的下限頻率時，通過延時濾波確認后，發出減泵信號，將M2從電網中切除，M1保持工頻運行。

3 結論

本文設計了以PLC為控制核心，結合變頻調速技術、PID調節等技術的變頻恒壓供水系統。通過功率設定值PID調節水泵頻率實現變頻恒壓供水系統泵組控制，控制流程簡單，不使用壓力變送器和流量計。同時功率變化快，更能夠實時體現空調水系統負荷變化情況，有利于調節，對提高和改善供水品質有重要的實用價值和現實意義。缺點是當用戶水負荷較小，系統只有一臺水泵運行時，只能通過調節閥門運行，但是這種情況出現的較少，對系統運行影響小。

[1] 馮小玲，羅鋒華，房馳.基于三菱可編程邏輯控制器與變頻器的恒壓供水控制系統設計[J].電機與控制應用，2011，38(6): 46-50.

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[3] 趙小惠，趙小娥.基于可編程控制器的恒壓供水系統設計[J].機電工程技術，2007，36(2): 18-20.

[4] 陳懷忠，朱金芳.基于Fuzzy-PID控制的變頻恒壓供水系統設計[J].微計算機信息，2009，25(8): 49-51.

[5] 趙小國，孫偉，閻曉妹.基于時間優先級的變頻恒壓供水系統的泵組控制方式研究[J].電機與控制應用，2011，38(10): 8-11.

[6] 吳肖甫，王小海，祁才君．恒壓供水系統控制策略及其實現[J]．浙江大學學報，2002，29(6): 652-657.

[7] 蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

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Study on pump group control based on pump shaft power in variable frequency and constant pressure water supply system

Shao Guangming，Miao Xiaoping

(College of Defense Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

Variable frequency and constant pressure water supply system could automatically adjust the pump speed or switch the number of pumps according to the changes of load，which realize pump’s soft-start and effectively save the consumption of electric energy.This paper proposed a variable frequency constant pressure water supply system control mode based on the pump shaft power through analyzing the characteristics of variable frequency constant pressure water supply system，and designed a set of automatic constant pressure frequency conversion water supply system with programmable logic controller PLC as control core，combined with the PID control technology and frequency conversion technology.The water supply system can effectively avoid the complexity of manual operation and the control strategy is simple and reliable.

constant pressure water supply; shaft power; pump group control; frequency conversion

TP29

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.023

邵光明，繆小平.基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統泵組控制研究J.微型機與應用，2017,36(21)：78-80.

2017-05-15)

邵光明(1993-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：空調水系統節能控制。E-mail：305828635@qq.com。

繆小平(1957-)，男，博士生導師，主要研究方向：建筑設備自動化。