變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應用

屈文斌

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西咸陽 712000)

0 引言

供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中必不可少的重要環(huán)節(jié)，工廠為了穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，要求在一些生產(chǎn)過程中，堅決避免缺水或供水壓力不足事件的發(fā)生，由于供水壓力不足，可能會影響產(chǎn)品的產(chǎn)量或質(zhì)量，且會導致部分設(shè)備不能正常工作，嚴重時甚至會造成設(shè)備損壞；居民的生活用水同樣受到供水壓力的影響，如在早上或晚上用水的高峰期，住在高層的居民由于水壓不足，在用水高峰期沒水，嚴重影響人們的生活，在高峰期過后住在低層的居民又由于壓力過大，容易產(chǎn)生爆管現(xiàn)象。以上這些情況對供水系統(tǒng)提出了新的要求，供水系統(tǒng)應依據(jù)不同時段對水量的不同需求，給水壓力相應的發(fā)生變化，用水高峰期提高水壓，用水少時水壓降低，合理調(diào)節(jié)供水壓力，提高供水質(zhì)量。

1 恒壓供水的優(yōu)點

1.1 提高供水質(zhì)量

考慮到用水量是經(jīng)常變化的，導致供水過剩或供水不足的情況時常發(fā)生，通過變頻器控制供水壓力的大小，精確有效的控制用水流量，保證供水和用水之間的平衡，即用水量大時供水量大，用水量小時供水量也少，從而提高供水質(zhì)量。

1.2 節(jié)約能源

通過變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水與用閥門調(diào)節(jié)控制水泵出口壓力的方式實現(xiàn)恒壓供水相比，降低了管道的阻力及截流損失的能效；另一方面由于通過用水量的大小決定供水壓力，供水壓力大小又決定了變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，這樣系統(tǒng)在運行過程中能夠節(jié)約可觀的電能，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

1.3 起動平穩(wěn)

水泵電動機采用軟啟動方式，起動電流可以限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了電動機啟動時電流對電網(wǎng)的沖擊及電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時設(shè)定了加速時的加速時間，避免了由于電動機突然加速而引起水泵系統(tǒng)的喘振，對于較大的電動機還可省去降壓起動裝置。

1.4 消除水錘效應

所謂水錘效應是由于電動機在全壓下起動時，在短時內(nèi)管道里的流量迅速從零增大到額定值，液體流量急劇變化在管道內(nèi)產(chǎn)生沖擊力，沖擊管壁產(chǎn)生巨大噪聲，如同錘子敲擊管子。引入變頻調(diào)速后，可以依照要求，設(shè)定升、降速時間，將管道系統(tǒng)內(nèi)的流量變化率減小到允許范圍，從而達到徹底消除水錘效應的目的。

2 變頻調(diào)速在恒壓供水中的應用

2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成

恒壓供水的目的是保證無論用戶用水量大小，在管網(wǎng)中總保持水壓基本恒定，這樣既能滿足用戶對水的需求，又不會使電動機空轉(zhuǎn)而浪費電能。將變頻器引入恒壓供水系統(tǒng)，水泵轉(zhuǎn)速由變頻器依據(jù)給定壓力信號和反饋壓力信號來調(diào)節(jié)，最終使管網(wǎng)中水壓恒定。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由智能調(diào)節(jié)器、變頻器、水泵機組及壓力傳感器構(gòu)成，變頻恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。[1]

2.2 變頻調(diào)速原理

由電動機學可知，異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為

f——定子頻率（即電源頻率ZH ）

p——磁極對數(shù)

異步電動機的轉(zhuǎn)速為

式中 s——轉(zhuǎn)差率

從式（2）可知，要調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速應從s、p、f三個分量入手，改變這三個量中的任何一個量，就可以改變異步電動機的轉(zhuǎn)速n，但是s和p在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的應用范圍較小，而通過改變 f的大小，來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n具有高效率、寬范圍、高精度的性能，可以認為，變頻調(diào)速是異步電動機的一種非常合理和理想的調(diào)速方法[2]。

3 變頻恒壓供水設(shè)計

實現(xiàn)恒壓供水，通過在供水系統(tǒng)中引入變頻調(diào)速，系統(tǒng)可根據(jù)實際設(shè)定水壓通過變頻器自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速及加減泵，在供水系統(tǒng)將管網(wǎng)中的壓力保持到給定值，以達到最大限度的節(jié)水、節(jié)能，而且整個系統(tǒng)安全可靠。本設(shè)計采用在用水量逐漸減少時，先關(guān)閉變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調(diào)節(jié)[3]。

3.1 恒壓供水主電路設(shè)計

本設(shè)計采用一臺變頻器控制兩臺電動機，當用水量大時，兩臺泵同時運行，一臺工作在工頻，一臺工作在變頻，當用水量小時，只需一臺電機工作，這樣既節(jié)省了設(shè)備投資又達到了恒壓供水的目的。具體控制過程為：用水不多時，恒壓供水控制是通過變頻器控制電動機M1，隨著用水高峰期的到來用水量的增加，M1的工作頻率也跟著增大，如果在M1已經(jīng)升到最大頻率50Hz時，供水壓力還沒有滿足要求，將M1切換到工頻電源供電，與此同時將變頻器用來控制電動機M2，通過M2補充供水。當用水高峰期過后，用水量逐漸降低，盡管已將電動機M2的頻率降到0Hz，但供水壓力還是偏大時，則采取關(guān)掉工頻電源供電的M1，同時快速升高電動機M2的頻率，進行恒壓控制，恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖2所示。

3.2 壓力控制切換區(qū)設(shè)置

為了避免用水量恰巧在一臺泵在工頻50Hz上下波動時運行，出現(xiàn)供水系統(tǒng)頻繁切換的狀態(tài)，容易將變頻器控制元件及電動機損壞，降低設(shè)備使用壽命事件的發(fā)生，需要設(shè)置壓力控制的“切換死區(qū)”。如所需壓力為0.2MPa，就可以將切換死區(qū)設(shè)制為0.2～0.25MPa。控制過程為：當M1的工作頻率在工頻時，如果壓力小于0.2MPa，就進行切換，使M1全速運行，M2進行補充。如果用水量減小，M2已完全停止，但壓力還是超過0.2MPa時，暫不切換，直到壓力超過0.25MPa時再切換[4]。

4 結(jié)束語

隨著變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，將變頻調(diào)速技術(shù)引入恒壓供水系統(tǒng)，能夠擴大水泵高效運行范圍，使供水系統(tǒng)可靠運行，而且資金投入少，控制操作方便，節(jié)能顯著，最重要的是能夠滿足不同時期工業(yè)用水和生活用水的要求，避免了浪費，提高了供水服務(wù)質(zhì)量。

[1] 宋秀英.變頻器在恒壓供水中的應用[J].實用技術(shù)，2010，19（6）：69

[2] 羅果，唐軍.變頻調(diào)速在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能中的應用[J].機械與電子，2010，7（1）：210

[3] 白巖，金文海，張宏偉.S7-200PLC在廠區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應用 [J]. 吉 林 化 工 學 院 學 報，2009，26（1）：84

[4]肖朋生，張文，王建輝.變頻器及其控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008，140