變頻調速在供水系統中的應用

摘 要:隨著社會經濟的迅速發展，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高，尤其是在工業系統中，對供水系統的可靠性、節能性、自適應性提出了更高的要求。我國對電機變頻調技術應用越來越廣，本文就變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀和變頻調速原理作了介紹，并分析變頻恒壓供水系統組成，闡述了電機變頻調速系統的重要性。

關鍵詞:供水系統變頻調速PLC

中圖分類號:TU991文獻標識碼:A文章編號:1674-098x(2011)08(b)-0106-01

隨著社會經濟的迅速發展，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高;再加上目前能源緊缺，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節能、能適應不同領域的恒壓供水系統成為必然趨勢。系統采用變頻器和PLC實現恒壓供水和數據傳輸，然后用PID對系統中的恒壓控制器進行設計，該變頻恒壓供水系統可運用于許多實際的供水控制系統中，并能夠取得穩定可靠的運行效果和良好的節能效果。

1 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀

隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，它是將PID調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作。國內在變頻恒壓供水系統中主要是用變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制。

可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好的應用于生活、生產實踐。

2 變頻調速原理

變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由鼠籠式異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水。因此，供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電機的轉速為:n=60f(1-S)/p。從此式可知，當電機電極對數p不變時，電機轉子轉速、與定子電源頻率f成正比，因此連續調節異步電機供電電源的頻率，就可以連續平滑地調節電機的同步轉速，從而調節其轉子的轉速。變頻調速時，從高速到低速，都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速只有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優點，調速性能可與直流電動機調速系統相媲美。

3 變頻恒壓供水系統組成

在此變頻調速恒壓供水系統中，主要由PLC、變頻調速器、軟啟動器、壓力變送器、水位傳感器和現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環控制系統。此外還包括空氣開關、斷路器、接觸器和中間繼電器等系統保護電器，實現對變頻器、電機和PLC的有效保護，以及對電機的切換控制。PLC和變頻器作為系統控制的核心，根據給水母管壓力與壓力設定值的偏差變化情況，自動控制給水泵的投人臺數和電機轉速，實現閉環自動調節恒壓供水。其中控制參量的PID算法可消除控制參量的靜態誤差、突變、滯后等現象，縮短系統穩定的時間。

變頻調速恒壓供水系統由執行機構、信號檢測、控制系統、人機界面、通訊接口以及報警裝置等部分組成。執行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網。信號檢測包括水壓信號、液位信號和報警信號，水壓信號是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號;液位信號是反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統要對系統實施保護控制，以防止水泵因空抽而損壞電機和水泵;報警信號反映系統是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。

供水控制系統包括供水控制器(PLC系統)、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構(即水泵)進行控制;變頻器是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制;電控設備是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換及就地/集中等工作。

4 系統所實現的功能

4.1 自動運行功能

開關接通后，水泵電機通電，變頻器輸出頻率從OHz上升，同時PID調節程序將接收到自遠傳壓力表的信號，經運算與給定壓力參數進行比較，如用水量減小(壓力過大)，變頻器下限頻率持續出現，則將先啟動的水泵先切除。若有電源瞬時停電的情況，則系統停機:待電源恢復正常后，系統自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動水泵變頻，直至在給定水壓值上穩定運行。

4.2 恒壓控制功能

生活供水時，系統低恒壓值運行，消防供水時，系統高恒壓值運行。遠傳壓力表將主水管網壓力信號經PLC的擴展模塊PID運算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機的轉速以使管網的壓力穩定。當在運行的水泵全速運行，還未達到給定壓力時，變頻運行的水泵被切換到工頻運行，變頻器將啟動另一臺泵(即采用軟啟動)。

4.3 系統保護功能

系統可以對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現機械和電氣互鎖，防止短路產生，運行的水泵在斷開電源后，利用其運行的慣性切換到工頻，可避免切換過程中產生過電流。電動機的熱保護。雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小，但是當用戶用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升速、降速狀態，這時電動機的電流可能超過額定電流，導致電動機過熱。

5 結語

恒壓供水系統以PLC和變頻器為核心進行設計，借助于PLC強大而靈活的控制功能和內置PID的變頻器優良的變頻調速性能，實現了恒壓供水的控制。本系統運行效果良好，節水節電效果顯著。系統的人機界面友好、使用方便，運行方式靈活可靠，極大地方便了運行人員的操作，降低了運行人員的勞動強度。該系統是集計算機技術、控制技術、網絡通信技術和圖形顯示技術于一體的系統。系統的結構、軟件及主要技術環節的設計，都實現了生產過程的自動控制，提高了生產效率。總之，該系統功能完善，運行穩定，可靠性高，節能效果顯著，節約了維修材料和費用，減輕了操作人員的勞動強度，降低了噪音，具有很高的應用推廣價值。

參考文獻

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