變頻器恒壓供水系統在生活供水方面的應用

一、變頻器恒壓供水系統概述

      交流電機變頻調速技術(shù)是一項業(yè)已廣泛應用的節能技術(shù)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，戶(hù)變頻器的性能有了較大提高，它可以實(shí)現控制設備軟啟軟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統安全、穩定、長(cháng)周期運行。

      長(cháng)期以來(lái)區域的供水系統都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過(guò)二次加壓和水塔或天面水池來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對供水壓力的要求。在小區供水系統中加壓泵通常是用較不利用水點(diǎn)的水壓要求來(lái)確定相應的揚程設計，然后泵組根據流量變化情況來(lái)選配，并確定水泵的運行方式。由于小區用水有著(zhù)季節和時(shí)段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開(kāi)度調節供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費，而且存在著(zhù)水池“二次污染”的問(wèn)題。變頻調速技術(shù)在給水泵站上應用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過(guò)剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平確保系統安全、穩定、長(cháng)周期運行。即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。 

      變頻器恒壓供水系統對于某些工業(yè)或特殊用戶(hù)是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過(guò)程中，若自來(lái)水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時(shí)使產(chǎn)品報廢和設備損壞。又如發(fā)生火災時(shí)，若供水壓力不足或或無(wú)水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區采用恒壓供水系統，具有較大的經(jīng)濟和社會(huì )意義。。 

      隨著(zhù)電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調速技術(shù)的日臻完善，以變頻調速為核心的智能供水控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動(dòng)平穩，起動(dòng)電流可限制在額定電流以?xún)?，從而避免了起?dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長(cháng)泵和閥門(mén)等東西的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機時(shí)的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現節水、節電、節省人力，達到高，效，率的運行目的。 

二、變頻器恒壓供水系統的變頻應用方式

1、變頻器恒壓供水系統組成

      變頻器恒壓供水系統通常是由水源、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調節器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網(wǎng)組成。工作流程是利用設置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統內因用水量的變化引起的水壓變化，及時(shí)將信號（4-20mA或0-10V）反饋PID調節器，PID調節器對比設定控制壓力進(jìn)行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或轉速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。

2、變頻器恒壓供水系統的參數選取

（1）、合理選取壓力控制參數，實(shí)現系統低能耗恒壓供水。這個(gè)目的的實(shí)現關(guān)鍵就在于壓力控制參數的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)較不利點(diǎn)壓力恒壓控制，另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。選擇管網(wǎng)較不利點(diǎn)的較小水頭為壓力控制參數，形成閉環(huán)壓力自控系統，使得水泵的轉速與PID調節器設定壓力相匹配，可以達到較大節能效果，而且實(shí)現了恒壓供水的目的。

（2）、變頻器在投入運行后的調試是保證系統達到較好運行狀態(tài)的，必，要手段。變頻器根據負載的轉動(dòng)慣量的大小，在啟動(dòng)和停止電機時(shí)所需的時(shí)間不相同，設定時(shí)間過(guò)短會(huì )導致變頻器在加速時(shí)過(guò)電流、在減速時(shí)過(guò)電壓保護；設定時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )導致變頻器在調速運行時(shí)使系統變得調節緩慢，反應遲滯，應變能力差，系統易處在短期不穩定狀態(tài)中。

      為了變頻器不跳閘保護，現場(chǎng)使用當中的許多變頻器加減速時(shí)間的設置過(guò)長(cháng)，它所帶來(lái)的問(wèn)題很容易被設備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達不到較好運行狀態(tài)。所以現場(chǎng)使用時(shí)要根據所驅動(dòng)的負載性質(zhì)不同，測試出負載的允許較短加減速時(shí)間，進(jìn)行設定。對于水泵電機，加減速時(shí)間的選擇在0.2-20秒之間。

      通常在同一路供水系統中，設置多臺常用泵，供水量大時(shí)多臺泵全開(kāi)，供水量小時(shí)開(kāi)一臺或兩臺。在采用變頻跳速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據壓力反饋信號，通過(guò)PID運算自動(dòng)調整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)機轉速， 終達到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個(gè)閉環(huán)回路，較簡(jiǎn)單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來(lái)的發(fā)展方向，下面講到的原理都是一變頻器拖多馬達的系統。 

三、變頻器恒壓供水系統控制原理 

1、交流電機變頻調速原理

      交流電機轉速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉速，f為交流電頻率，s 為轉差率，p為極對數。

      電機選定之后s 、p則為定值，電機轉速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來(lái)改變交流電頻率，即可實(shí)現對電機變頻無(wú)級調速。

２、根據離心泵的負載工作原理可知：

流量與轉速成正比：Ｑ∝Ｎ

轉矩與轉速的平方成正比：Ｔ∝Ｎ２

功率與轉速的三次方成正比：Ｐ∝Ｎ３

而且變頻調速自身的能量損耗極低，在各種轉速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調速技術(shù)供水時(shí)，系統中流量變化與功率的關(guān)系：

Ｐ變＝Ｎ３Ｐ額＝Ｑ３Ｐ額

采用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時(shí)，系統中流量變化與功率的關(guān)系：Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額

其中，Ｐ為功率

Ｎ為轉速

Ｑ為流量

例如設定當前流量為水泵額定流量的６０％，則采用變頻調速時(shí)Ｐ變＝Ｑ３Ｐ額＝０.２１６Ｐ額，而采用閥門(mén)控制時(shí)Ｐ閥＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ額＝０.７６Ｐ額，節電＝（Ｐ閥-Ｐ變）／Ｐ閥*99.999％＝７１.６％。

流量% 100 90 80 70 60 50

節電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1

      由此可見(jiàn)從理論計算結果可以看到節能效果非常顯著(zhù)，而且在實(shí)際運行中小區變頻恒壓供水技術(shù)比傳統的加壓供水系統還有自動(dòng)控制恒壓、無(wú)二次污染等明顯優(yōu)勢。

      而且新型的變頻器恒壓供水系統能自動(dòng)地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時(shí)，系統自動(dòng)停止主泵，啟動(dòng)小功率的休眠泵工作，保證系統小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時(shí)大量電能的浪費問(wèn)題，從運行控制上進(jìn)一步節能。

      根據反饋原理：要想維持一個(gè)物理量不變或基本不變，就應該引這個(gè)物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統。我們要想保持水壓的恒定，因此就 須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統。但被控制的系統特點(diǎn)是非線(xiàn)性、大慣性的系統，現在控制和PID相結合的方法，在壓力波動(dòng)較大時(shí)使用模糊控制，以加快響應速度；在壓力范圍較小時(shí)采用PID來(lái)保持靜態(tài)精度。這通過(guò)PLC加智能儀表可時(shí)現該算法，同時(shí)對PLC的編程來(lái)時(shí)現泵的工頻與變頻之間的切換。實(shí)踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價(jià)也不高。

      要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，根據反饋定理在管網(wǎng)系統的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統管道長(cháng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓都較慢，故系統是一個(gè)大滯后系統，不易直接采用PID調節器進(jìn)行控制，而采用PLC參與控制的方式來(lái)實(shí)現對控制系統調節作用。 

四、變頻器恒壓供水系統控制原理 

用變頻調速來(lái)實(shí)現恒壓供水，與用調節閥門(mén)來(lái)實(shí)現恒壓供水相比，節能效果十分顯著(zhù)（可根據具體情況計算出來(lái)）。其優(yōu)點(diǎn)是： 

1、 起動(dòng)平衡，起動(dòng)電流可限制在額定電流以?xún)?，從而避免了起?dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊； 

2、 由于泵的平均轉速降低了，從而可延長(cháng)泵和閥門(mén)等的使用壽命； 

3、 可以消除起動(dòng)和停機時(shí)的水錘效應； 

      一般地說(shuō)，當由一臺變頻器控制一臺電動(dòng)機時(shí)，只需使變頻器的配用電動(dòng)機容量與實(shí)際電動(dòng)機容量相符即可。當一臺變頻器同時(shí)控制兩臺電動(dòng)機時(shí)，原則上變頻器的配用電動(dòng)機容量應等于兩臺電動(dòng)機的容量之和。但如在高峰負載時(shí)的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時(shí)，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的容量。 

      雖然水泵在低速運行時(shí)，電動(dòng)機的工作電流較小。但是，當用戶(hù)的用水量變化頻繁時(shí)，電動(dòng)機將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過(guò)電動(dòng)機的額定電流，導致電動(dòng)機過(guò)熱。因此，電動(dòng)機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來(lái)的溫升，變頻器內的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機的熱保護。

      在主要功能預置方面，較高頻率應以電動(dòng)機的額定頻率為變頻器的較高工作頻率。升、降速時(shí)間在采用PID調節器的情況下，升、降速時(shí)間應盡量設定得短一些，以免影響由PID調節器決定的動(dòng)態(tài)響應過(guò)程。如變頻器本身具有PID調節功能時(shí)，只要在預置時(shí)設定PID功能有效，則所設定的升速和降速時(shí)間將自動(dòng)失效。 

五、變頻器恒壓供水系統特點(diǎn) 

1、 節電：變頻恒壓供水系統的較顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)就是節約電能，節能量通常在10-40%。從單臺水泵的節能來(lái)看，流量越小，節能量越大。優(yōu)化的節能控制軟件，使水泵實(shí)現較大限度地節能運行； 

2、 衛生節水：根據實(shí)際用水情況設定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現象；系統實(shí)行閉環(huán)供水后，用戶(hù)的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。 

3、 運行可靠：變頻器恒壓供水系統實(shí)現了系統供水壓力穩定而流量可在大范圍內連續變化，從而可以保證用戶(hù)任何時(shí)候的用水壓力，不會(huì )出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況由變頻器實(shí)現泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。 

4、 控制靈活：分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式。 

5、 自我保護功能完善：新型的小區變頻恒壓供水系統具備了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時(shí)停電保護、過(guò)載、失速保護