變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

張瑞敏　趙艷芝

【摘 要】變頻器恒壓供水系統(tǒng)能全天24小時維持恒定壓力，并根據(jù)壓力的變化自動啟用和關(guān)閉備用泵，調(diào)節(jié)供水量，避免傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象發(fā)生。文中從恒壓供水系統(tǒng)的硬件組成及特點出發(fā)，闡述了變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻器；恒壓供水；PLC

1 供水系統(tǒng)分析及變頻器的特點

人們在生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中離不開水，水是生命存活的必備資源，是關(guān)系到人類幸福指數(shù)的核心物質(zhì)。隨著社會的發(fā)展，人口數(shù)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(fā)展也伴隨著科技的創(chuàng)新，居民用水面臨的上述問題能夠得到很好的解決。為此，設(shè)計出變頻器恒壓供水方式。恒壓供水，是供水系統(tǒng)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(wǎng)中的水壓基本恒定，滿足終端用水客戶的需求。

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電動機無級調(diào)速的需要而誕生的，變頻器是把電網(wǎng)提供的工頻（50赫茲）交流電變換成輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，以實現(xiàn)交流電動機平滑變速運行的設(shè)備。（三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p（1-s），f即為電源頻率P為電機極對數(shù) s代表轉(zhuǎn)差率）交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)是一項廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)，它可以實現(xiàn)設(shè)備的軟起動和軟停止，降低對電網(wǎng)的沖擊，同時也降低了設(shè)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(tǒng)安全穩(wěn)定、長周期運行。

2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件組成及控制原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)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(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

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(zhuǎn)換成電信號的器件。是使用最為廣泛的一種傳感器，應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境中。壓力傳感器的精度直接影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。變頻供水系統(tǒng)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(tǒng)的核心控制部件。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機、通信、聯(lián)網(wǎng)以及自動控制技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置。它使用可編寫程序的存儲器來存儲指令，實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、計數(shù)、計時和算術(shù)運算功能。PLC的工作原理也就是通過對外部輸入的狀態(tài)進行檢測、并對輸入的數(shù)據(jù)進行運算和處理后，再輸出控制量。它具有編程簡單易學(xué)、工作可靠性高、安裝維護方便等特點。

變頻器 是一種將電網(wǎng)供電頻率50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成輸出頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的電氣設(shè)備，是輸出頻率可調(diào)的電源。因為異步電動機的轉(zhuǎn)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(xiàn)電動機的無級調(diào)速。在恒壓供水系統(tǒng)中變頻器接收來自傳感器采集的壓力信號，通過變頻器內(nèi)部自帶的采樣程序及PID閉環(huán)程序與用戶設(shè)定的壓力構(gòu)成閉環(huán)， 對終端設(shè)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(tǒng)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(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速來控制水泵水量和水壓的變化，是恒壓供水系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。恒壓供水系統(tǒng)中通常設(shè)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(diào)節(jié)水量之用。水泵組中的水泵統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，以滿足供水需要。

2.2 變頻器恒壓供水系統(tǒng)的控制原理

壓力傳感器檢測管網(wǎng)壓力，將壓力信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準電信號送進變頻器的模擬量輸入端，與設(shè)定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置的PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電動機的電源頻率，進而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)了供水系統(tǒng)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(jù)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(dāng)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(shè)定值，由PLC控制將1#泵切換至工頻電網(wǎng)恒速運行，同時啟動2#泵并進入變頻運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設(shè)定值為止；如果用水量繼續(xù)增加，當(dāng)2#泵加速運行變頻器輸出頻率達到工頻時，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)恒速運行，同時3#水泵啟動變頻運行，系統(tǒng)對水壓閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設(shè)定值為止；當(dāng)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(shè)定值，停止該水泵的運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)定值；當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)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(tǒng)還設(shè)置了手動運行模式，該模式主要用于系統(tǒng)出錯或是變頻器的故障檢修。

3 變頻器恒壓供水的優(yōu)勢

1）采用變頻器恒壓供水系統(tǒng)，實現(xiàn)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(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊；

3）系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動，消除啟動電流大的沖擊，減輕了機械啟動轉(zhuǎn)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(yīng)；

5）系統(tǒng)可以按照需求來設(shè)定壓力，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的壓力自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和水泵運行臺數(shù)，使設(shè)備運行在高效節(jié)能的最佳狀態(tài)，從而達到了節(jié)水節(jié)電節(jié)省人力的節(jié)能目的。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]