變頻調速技術在校園供水系統的應用

許燕妮

摘 要：變頻調速技術具有節能、改善工藝流程、提高產品質量和便于自動控制等眾多優勢，被國內外公認為最有發展前途的調速方式。變頻調速技術在供水系統節能方面應用廣泛，但是如何根據實際情況綜合分析，設計出適合具體環境的控制系統，使之取得更好的應用效果，值得深入探究。

關鍵詞：變頻調速技術;供水系統;校園

中圖分類號：TM921.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0091-03

Application Research of Frequency Conversion Speed Regulation Technology in Campus Water Supply System

XU Yanni

（Guangxi Electromechanical Engineering School，Nanning Guangxi 530001）

Abstract： Frequency conversion speed regulation technology has many advantages such as energy saving， improvement of process flow， improvement of product quality and easy automatic control， which is recognized as the most promising speed regulation method at home and abroad. Frequency conversion speed regulation technology is widely used in energy saving of water supply system， but how to design a control system suitable for specific environment according to the actual situation and make it achieve better application effect is worthy of further investigation.

Keywords： frequency conversion technology;water supply system;campus

校園用水的特點是時間集中，所以學校供水系統運行有峰谷時間。廣西機電工程學校每天06：00—07：30、17：00—19：30、21：30—23：00是用水高峰期，每到這個時候，用水量大，四樓以上的水壓往往不夠，嚴重影響學生的生活質量，而學生上課期間用水量很小，管壓力幾乎為零。如果采用交流電動機恒速傳動的方案運行，依靠利用閥門調節的泵類設備，使用效率較低，能源浪費嚴重[1]。那么，怎樣設計一個供水系統，使之能夠根據用水的峰谷期自動調整系統運行方案，是值得探究的問題。

根據流體力學的基本定律[2-3]，水泵的轉速n與揚程H、流量Q及軸功率P之間的關系如下：

由此可見，水泵的流量與其轉速成正比，揚程與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。當水泵轉速降低后，其軸功率所需的電功率亦可相應降低。由于軸功率（耗電）與轉速的三次方成正比，假如n2/n1降低1/2，則P2/P1=1/8。也就是說，通過調速方式降低轉速，可大大降低軸功率，可以達到很好的節電效果。變頻調速技術是目前國內外公認為最有發展前途的調速方式，如何應用變頻高速技術改善供水系統的運行呢？

1 PLC變頻恒壓供水控制系統原理

變頻恒壓供水系統由壓力傳感器、PID調節器、變頻器、水泵組、可編程控制器組成，如圖1所示。廣西機電工程學校供水系統有三臺水泵電動機，可以運用變頻器對三臺水泵電動機進行變頻調速。人們運用壓力傳感器檢測當前總管壓力，送入PID調節器與設定值比較后進行PID運算，運算結果送入變頻器，控制變頻器的輸出電壓頻率，從而改變水泵轉速和供水量，最終保持管網壓力在設定近似值，達到節能效果。系統泵前水壓為設定參數，當泵前水壓大于設定值時，利用直通電磁閥，直接給用戶供水;當泵前壓力小于設定值時，直通電磁閥關閉，系統啟動水泵，利用變頻器來改變水泵轉速，調節水泵的流量和壓力。

2 系統的硬件組成

系統的組件主要有變頻器、其可編程控制器（PLC）和低壓控制電器。選用VVVF ECO功率7.5 kW變頻器調速器，采用德國西門子的S7-200系列 CPU224可編程控制器。

系統功能如下：系統通過轉換開關SA，可實現自動、手動及待機狀態;三臺水泵輪換成循環軟起動，水泵均衡工作，并能根據管網壓力自動調整水泵轉速及工作臺數;可根據實際需要，設定開、關機的時間;儲水池缺水時，自動停機保護;系統設有水泵運行狀態指示。

2.1 系統的主電路設計

PLC控制的變頻恒壓供水主電路如圖2所示。圖中，各符號含義如下。

QS表示電源總開關;QF1、QF2、QF3、QF4分別為變頻器和三臺電動機的自動空氣開關，控制變頻器和三臺電動機的電源;M1、M2、M3表示三臺15 kW電動機，分別帶動三臺水泵#1、#2、#3。

KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 是六個交流接觸器，其中，KM1、KM3、KM5控制M1、M2、M3三臺水泵的工頻運行，KM2、KM4、KM6控制M1、M2、M3三臺水泵的變頻運行;FR1、FR2、FR3是三個熱繼電器，分別作為M1、M2、M3三臺電動機的過載保護用;VVVF ECO為變頻調速器;PAC為遠傳壓力表。

2.2 系統的控制電路設計

圖3系統控制電路圖中，SA為手動/自動切換開關。手動狀態是在應急和檢修時臨時使用的，SA在手動狀態按下SB1～SB6可以控制三泵的起停。SA自動狀態下，系統根據PLC的程序運行，自行控制三臺水泵的起停。HL1～HL10為各種運行指示燈，可以顯示三臺水泵的運行姿態。FR1、FR2、FR3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點，可以對電機實現過載保護。

2.3 水泵的投切方式分析

2.3.1 開始時1號泵啟動。1號泵轉速從0開始隨頻率增加而上升，當變頻器頻率為50 Hz，水壓達到上限值時，1號泵延時一段時間切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz，2號泵開始變頻啟動，如水壓仍不能滿足要求，則3號泵啟動。

2.3.2 開始時1號泵備用。若開始時1號泵備用，則直接啟動2號變頻，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50 Hz，此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2號泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz，3號泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動1號泵。3臺泵（假設為1號、2號和3號）同時運行時，若總管道的出水壓力大于設定壓力，變頻器會下降，系統開始計時，如果一直維持在設定的減泵下限頻率以下，15 s內，系統會以先投入先切除為原則自動減泵。

3 系統的軟件組成

系統采用的是德國西門子公司生產的S7-200系列、型號為CPU224的PLC，如圖4所示。

3.1 CPU224 PLC規格參數

CPU224 PLC的規格參數如表1所示。

3.2 系統的PLC接線圖

圖5為系統的PLC接線圖，有五路輸入信號：R01、R02兩路模擬量輸入為變頻調速器的兩個可編程繼電器的輸出，P1、P2、P3分別為水池高、中、低的水位信號。當水池水位達到高水位時，進水電磁閥關閉;當水位達到中水位時，進水閥打開;當水位達低水位時，水泵停止工作。有9路輸出信號：Q0.0～Q0.5分別控制KM1～KM6接觸器的工作，Q0.6控制進水電磁閥的開關，Q0.7控制缺水信號。DI1、DI2分別控制變頻器的運行和停止。

3.3 西門子CPU224 PLC編程軟件

CPU224 PLC采用西門子公司的STEP7 MicroWIN SP6 V4.0編程軟件，此軟件具有編程方便、畫面布局清晰、聯機調試功能強大等優點。

4 系統的運用價值

本系統操投入運行以來，學校供水系統壓力穩定，調整方便，供水質量顯著提高。用水高峰期，住高樓層的學生用水問題得到很好的解決，用水低谷期，節能降耗效果較好，據運行數據測算，噸水單耗省電達20%。因此，變頻調速技術非常具有推廣應用價值。

參考文獻：

[1]周萬珍，高鴻賓.PLC分析與設計應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]原魁，劉偉強.變頻器基礎及應用[M].北京：冶金工業出版社，2005.

[3]三菱電機株式會社.變頻調速器使用手冊[M].北京：兵器工業出版社，1992.