基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組控制研究

邵光明，繆小平

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組控制研究

邵光明，繆小平

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京210007)

變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠根據(jù)水負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速或切換水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，有效節(jié)約了電能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水泵的軟啟動(dòng)。通過分析變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)，提出基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組控制方式，設(shè)計(jì)了一套以可編程邏輯控制器PLC為控制核心，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)和PID調(diào)節(jié)等技術(shù)的自動(dòng)恒壓變頻供水系統(tǒng)。該供水系統(tǒng)能夠有效地避免人為操作的復(fù)雜性且控制簡單可靠。

變頻恒壓供水；軸功率；泵組控制；變頻調(diào)速

0 引言

變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠根據(jù)水負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速或切換水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水泵的軟啟動(dòng)，從而有效避免了水泵起動(dòng)時(shí)對(duì)供電電網(wǎng)以及機(jī)械設(shè)備造成的沖擊和人工操作的繁雜性，并有效節(jié)約了電能[1]。克服了水塔高位水箱重力供水、氣壓罐供水、電池滑差離合器調(diào)速以及恒速泵加壓供水等小區(qū)傳統(tǒng)供水方式的系統(tǒng)效率低、自動(dòng)化程度低、水電資源浪費(fèi)嚴(yán)重、供水可靠性差、水泵使用壽命短等缺點(diǎn)，是比較先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)[2]。

傳統(tǒng)的變頻恒壓供水系統(tǒng)以管路壓力為反饋信號(hào)，控制方式多采用單變頻器循環(huán)控制多臺(tái)水泵的方式。本文總結(jié)變頻恒壓供水系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和控制方式，在分析系統(tǒng)運(yùn)行過程中水泵揚(yáng)程、流量和功率的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組控制方式。設(shè)計(jì)了一套以PLC為控制核心，以供水管網(wǎng)的水泵軸功率為反饋信號(hào)，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)、PID控制與通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的恒壓變頻供水系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以根據(jù)用戶水負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速和切換水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)來實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

1 理論分析

1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)簡介

變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本控制策略：采用PLC與變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，完成供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制，在用戶水負(fù)荷變化引起管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的[3]。傳統(tǒng)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制目標(biāo)是由壓力傳感器測(cè)量泵站出水總管的出水壓力，并將測(cè)量值傳遞到PLC，PLC將測(cè)量反饋值與系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值進(jìn)行比較，其差值輸入PID模塊運(yùn)算處理后，輸出模擬信號(hào)給變頻器，用變頻器調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運(yùn)行頻率來實(shí)現(xiàn)恒壓供水[4]。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方式主要有兩種[5]：

(1) 每臺(tái)變頻器控制一臺(tái)水泵：這種控制方式需要給每臺(tái)水泵配備一臺(tái)變頻器，由于大型變頻器價(jià)格高，在水泵較多的場(chǎng)合初投資大。

(2) 單變頻器循環(huán)控制多臺(tái)水泵：當(dāng)系統(tǒng)供水壓力不足需要加泵時(shí)，先將變頻泵轉(zhuǎn)換成工頻電路運(yùn)行，然后變頻器帶動(dòng)下一臺(tái)泵變頻起動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)供水壓力過高需要減泵時(shí)，先將變頻泵停機(jī)，然后將一臺(tái)工頻水泵切換至變頻運(yùn)行。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，較多采用單變頻器循環(huán)控制多臺(tái)水泵的恒壓供水系統(tǒng)，這樣在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)可降低初投資[6]。能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)水泵的軟起動(dòng)，減小水泵起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)有效避免了水錘現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。泵組通過PLC根據(jù)用戶的實(shí)際用水量投入適當(dāng)?shù)乃门_(tái)數(shù)運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻水泵的轉(zhuǎn)速以及切換泵組水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)以達(dá)到供水管網(wǎng)壓力保持恒定的目標(biāo)。

1.2基于水泵軸功率的控制方式研究

圖1為恒壓供水系統(tǒng)圖。變頻恒壓供水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，水池的液面維持穩(wěn)定，管路壓力測(cè)量點(diǎn)P與水池液面的高差基本不變。對(duì)于單變頻器循環(huán)控制多臺(tái)水泵控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，其余水泵工頻運(yùn)行。工頻水泵運(yùn)行時(shí)性能曲線不變，水泵的功率與流量和揚(yáng)程有關(guān)[7]。供水系統(tǒng)運(yùn)行過程，不調(diào)節(jié)水泵兩端截止閥，水泵管路進(jìn)口與出口之間的阻抗S不變，將水泵管路入口和出口的管路及管件的阻抗視為水泵內(nèi)虛阻抗的一部分。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)圖

離心水泵功率計(jì)算公式[8]如下：

H=K2HX-SXQ2

(1)

(2)

其中，HX、SX、P0、α由水泵特性確定，對(duì)確定水泵為常數(shù)。H為水泵揚(yáng)程即壓力測(cè)量點(diǎn)P與水池液面的高差，基本維持不變。水泵工頻運(yùn)行時(shí)調(diào)速率K不變，Psh為水泵軸功率。通過水泵軸功率計(jì)算公式得到管路壓力設(shè)定值不變時(shí)，工頻水泵軸功率保持不變。對(duì)于單變頻器循環(huán)控制多臺(tái)水泵控制方式的變頻恒壓供水系統(tǒng)，維持工頻水泵軸功率穩(wěn)定可以保證系統(tǒng)壓力維持穩(wěn)定，達(dá)到控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的。利用水泵軸功率代替壓力測(cè)量點(diǎn)壓力值作為控制量和反饋信號(hào)，通過可編程控制器PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行。

圖2為變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組水泵運(yùn)行工況圖，N0為水泵工頻運(yùn)行性能曲線，N1為水泵變頻運(yùn)行性能曲線，N2為兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)性能曲線。系統(tǒng)運(yùn)行中，管路壓力設(shè)定值HA，此時(shí)工頻水泵在額定工況點(diǎn)D運(yùn)行。

圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組水泵運(yùn)行工況圖

當(dāng)用戶水負(fù)荷減小時(shí)，用戶端管路中閥門開度減小，管路阻抗增大，管路性能曲線變陡，由S0變?yōu)镾1，泵組的工作點(diǎn)由A變?yōu)锽，此時(shí)供水壓力增大至HB。泵組軸功率減小，工頻水泵功率減小。此時(shí)PLC輸出減頻信號(hào)給變頻器，調(diào)小變頻泵頻率，使得工頻泵功率增大恢復(fù)到設(shè)定值，維持管路壓力的穩(wěn)定。

當(dāng)用戶水負(fù)荷增大時(shí)，用戶端管路中閥門開度增大，管路阻抗減小，管路性能曲線變緩，由S0變?yōu)镾2，泵組的工作點(diǎn)由A變?yōu)镃，此時(shí)供水壓力降低至HC。泵組軸功率增大，工頻水泵功率增大。此時(shí)PLC輸出增頻信號(hào)給變頻器，調(diào)大變頻泵頻率，使得工頻泵功率減小恢復(fù)到設(shè)定值，維持管路壓力。

2 基于水泵軸功率的泵組控制設(shè)計(jì)

2.1基于水泵軸功率的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由PID可編程控制器、變頻器、電能表、水泵組成，閉環(huán)控制流程圖見圖3。當(dāng)用戶水負(fù)荷發(fā)生變化，閥門的調(diào)節(jié)使得管道阻抗改變，管路性能曲線變化，泵組的工作點(diǎn)變化，使得工頻水泵和變頻水泵的軸功率都發(fā)生改變。電能表將測(cè)得的水泵軸功率值傳送給PLC，PLC將測(cè)量反饋值與預(yù)設(shè)的功率值進(jìn)行對(duì)比后，產(chǎn)生輸出信號(hào)調(diào)節(jié)變頻器頻率來改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而維持管路壓力的穩(wěn)定，并達(dá)到節(jié)能的目的。

圖3 控制流程圖

2.2基于水泵軸功率的控制方式

圖4 變頻器循環(huán)控制的恒壓供水系統(tǒng)圖

圖4為變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組控制系統(tǒng)圖，4臺(tái)水泵為相同水泵，系統(tǒng)正常運(yùn)行最多開啟3臺(tái)水泵，M4為備用泵。PLC通過邏輯算法控制繼電器電路，使水泵可以在工頻電路和變頻電路間切換。由于變頻器諧波對(duì)電路下方會(huì)造成影響，電能表測(cè)量水泵軸功率應(yīng)位于變頻器的電路上方[9]。

PLC根據(jù)設(shè)定功率值和實(shí)際功率反饋值，產(chǎn)生輸出信號(hào)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及切換水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，維持供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。當(dāng)用戶水負(fù)荷較小，一臺(tái)水泵可以滿足要求時(shí)，保持一臺(tái)水泵工頻運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)閥門運(yùn)行。此時(shí)管路壓力可能大于壓力設(shè)定值，但壓力超出有限，對(duì)系統(tǒng)影響小。當(dāng)用戶水負(fù)荷增大至單臺(tái)水泵不能滿足要求時(shí)，加入變頻泵運(yùn)行。

系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，首先軟起動(dòng)M1，頻率由0 Hz逐漸增加至50 Hz后切入工頻電路運(yùn)行，此時(shí)水泵的軸功率若小于功率設(shè)定值，不加泵。用戶用水負(fù)荷增大，M1軸功率增大，當(dāng)功率反饋值大于功率設(shè)定值時(shí)，經(jīng)延時(shí)濾波確定后，發(fā)出加泵信號(hào)，M2從0 Hz開始啟動(dòng)。當(dāng)M2的運(yùn)行頻率達(dá)到設(shè)定的上限頻率時(shí)工頻泵功率反饋值仍大于設(shè)定值，經(jīng)延時(shí)濾波確定后，將M2切換到工頻電路運(yùn)行，變頻電路切換啟動(dòng)M3。當(dāng)三臺(tái)水泵都滿負(fù)荷運(yùn)行還不能達(dá)到供水要求，管路運(yùn)行可能出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)檢修。

下面以M1、M2工頻運(yùn)行，M3變頻運(yùn)行為例說明用戶用水量減少時(shí)變頻恒壓供水系統(tǒng)的減泵運(yùn)行控制。用戶用水量減少時(shí)，變頻器頻率減小，M3轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)壓力維持穩(wěn)定。當(dāng)M3的運(yùn)行頻率達(dá)到設(shè)定的下限頻率時(shí)，通過延時(shí)濾波確認(rèn)后，發(fā)出減泵信號(hào)，將M3從電網(wǎng)中切除，將M2切換到變頻電路運(yùn)行。用戶用水負(fù)荷進(jìn)一步減小，當(dāng)M2的運(yùn)行頻率達(dá)到設(shè)定的下限頻率時(shí)，通過延時(shí)濾波確認(rèn)后，發(fā)出減泵信號(hào)，將M2從電網(wǎng)中切除，M1保持工頻運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)、PID調(diào)節(jié)等技術(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)。通過功率設(shè)定值PID調(diào)節(jié)水泵頻率實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組控制，控制流程簡單，不使用壓力變送器和流量計(jì)。同時(shí)功率變化快，更能夠?qū)崟r(shí)體現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)負(fù)荷變化情況，有利于調(diào)節(jié)，對(duì)提高和改善供水品質(zhì)有重要的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。缺點(diǎn)是當(dāng)用戶水負(fù)荷較小，系統(tǒng)只有一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，只能通過調(diào)節(jié)閥門運(yùn)行，但是這種情況出現(xiàn)的較少，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響小。

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Study on pump group control based on pump shaft power in variable frequency and constant pressure water supply system

Shao Guangming，Miao Xiaoping

(College of Defense Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

Variable frequency and constant pressure water supply system could automatically adjust the pump speed or switch the number of pumps according to the changes of load，which realize pump’s soft-start and effectively save the consumption of electric energy.This paper proposed a variable frequency constant pressure water supply system control mode based on the pump shaft power through analyzing the characteristics of variable frequency constant pressure water supply system，and designed a set of automatic constant pressure frequency conversion water supply system with programmable logic controller PLC as control core，combined with the PID control technology and frequency conversion technology.The water supply system can effectively avoid the complexity of manual operation and the control strategy is simple and reliable.

constant pressure water supply; shaft power; pump group control; frequency conversion

TP29

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.023

邵光明，繆小平.基于水泵軸功率的變頻恒壓供水系統(tǒng)泵組控制研究J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(21)：78-80.

2017-05-15)

邵光明(1993-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制。E-mail：305828635@qq.com。

繆小平(1957-)，男，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：建筑設(shè)備自動(dòng)化。