高壓變頻器在恒壓供水系統應用

賈帥雨

摘 要：高壓變頻器在恒壓供水系統中可提高水壓穩定性、延長水泵使用壽命、進而達到節能效果，擁有智能化功能模塊，可智能化調整用水高峰期與用水低谷時水壓。本文中簡單探討了高壓變頻器在恒壓供水系統中的各個技術應用要點，并加以例證。

關鍵詞：高壓變頻器;恒壓供水系統;PID控制原理;PLC變頻器;系統方案

高壓變頻器配合PLC、觸摸屏可提高恒壓供水系統性價比，其節能智能化水平相對較高，工作安全可靠性表現較好，可最大限度提高供水質量，在目前市政供水系統中起到了不可或缺的重要作用。

1恒壓供水系統采用高壓變頻器的原因

傳統普通供水系統運行缺陷相對較多，整體上水塔數量偏少，水箱容積也普遍不大，如果水在蓄滿之后供水系統就會停止運行，當水位下降以后水泵才能重新啟動。而系統電動機重復頻繁啟停則直接導致了供水系統壽命的大大縮減、運行噪聲越來越大、電能損耗相當嚴重。另一方面，普通供水系統的維修費用成本高、設備占地面積大、在二次加壓供水過程中會出現比較嚴重的管網水錘現象，對管網沖擊相當之大，如此一來就會導致供水質量偏差，電動機也因此頻繁啟動，一旦進入用水高峰期，管網壓力就會由于過大而引起管網嚴重損壞。綜上所述，目前必須對普通供水系統進行改造，采用基于高壓變頻器的恒壓供水系統來代替傳統普通水塔供水系統，確保供水過程壓力恒定，平衡供水能力與用水流量，滿足用戶所需用水流量，解決老舊設備頻繁檢修問題，為水利企業節約資金成本。

2恒壓供水系統采用高壓變頻器的基本思路

在目前許多鋼鐵企業中都會采用到變頻恒壓供水系統，它有效解決了傳統水塔供水系統中所存在的承重負荷過大、容易出現二次污染、易耗電耗能等等問題。全新的變頻恒壓供水系統能夠提供穩定壓力，在用水高峰期與低谷期水管壓力波動相對較小，而且沒有二次污染情況，考慮到樓層承重相對較低，其相比于常規供水系統大約可節能20%左右，同時采用PLC變頻器配合PID恒壓調節供水系統。以下簡單分析了恒壓供水系統采用高壓變頻器的基本技術應用思路。

2.1系統控制要求

恒壓供水系統中一般會配置3個水泵，可為四層建筑用戶提供用水，同時還配備一個備用泵。如此可保證根據建筑內用水人員數量啟動恒壓供水系統水泵，而且一旦水泵出現故障以后，備用泵就能夠投入到供水工作當中。

在系統控制過程中，它采用到了PLC PID控制原理展開技術分析，其中對參數內容進行設置。如果假定設定值為3Mpa，當系統啟動以后可利用傳感器測量水管中壓力。例如如果水管中壓力<3Mpa，可利用PLC建立可視化監測系統，同時通過PID調解書水管壓力，當水管壓力輸出值增大時，變頻器輸出頻率、電動機轉速也會相應增大。例如變頻器輸出頻率達到50Hz時，電機變頻運行切換到工頻進行操作，加大供水量。如果水管壓力無法達到設定值，電機則會驅動所有水泵自動啟動，達到最大供水要求。在這里，需要分析供水量與用水量之間關系，如果供水量大于用水量，水管中壓力則會直接超出設定值，此時輸出值也會相應減小，變頻器輸出頻率則會相應降低。如果水管頻率<30Hz，水泵則會退出運行操作，此時需要依賴儲氣罐進行保壓，此時用水量則會相應增大，水管壓力也會達到壓力下限水平，而系統也會重新再次啟動。

2.2系統軟件設計要求

結合系統變頻高壓恒壓供水控制系統，設計狀態轉移圖，分析系統運行的不同工作狀態，分析系統用水量變化。如果用水量達到最大水平時，所以所有水泵進行定頻處理，此時水泵用水量也會達到最大。結合系統工作要求，其軟件設計應用則包含了手動與自動兩種操作狀態。

2.3主電路與PLC外部接線圖設計要求

基于變頻恒壓供水系統的主電線路進行分析，了解變頻器連接方式圖，分析代表恒壓供水系統的3臺水泵運行狀況，該過程中采用的是高壓變頻器，其變頻器與主電路的有效連接，且變頻器與PLC直接連接，共同形成了外部接線技術體系。

3恒壓供水系統采用高壓變頻器的案例分析

3.1案例概述

某鋼鐵企業采用到了高壓變頻器，企業工廠中共有4臺現軋鋼低壓供水泵組共有四臺泵，設計將其中1#、2#泵電動機改為變頻調速，另外3#、4#仍為工頻運行。軋鋼低壓供水泵軸功率280KW，配套10KV、280KW高壓三相異步電動機。水泵正常情況下變頻運行，一旦變頻運行出現故障，可手動切換至工頻狀態繼續運行。變頻器安裝在新建變頻器室，變頻器電源柜、變頻柜在10KV高壓室，電機水泵在泵房內。在高壓變頻器方面，該改造項目采用的是北京合康高壓變頻器，變頻器型號為HIVENT-Y10/031，其主要參數為：額定容量630KVA，額定電壓10KV，額定電流31A，額定輸入頻率50～60Hz，冷卻方式為強迫風冷。高壓變頻器電源取原1#、2#工頻高壓柜，經過移相變壓器隔離、移相后分組輸出，為串聯的功率單元供電。功率單元為三相輸入

3.2案例系統組成與系統技術理論

案例中某鋼鐵企業恒壓供水系統高壓變頻器就采用到了高壓變頻器、PLC、PID調節器、TC時間控制器、壓力、液位傳感器以及動力控制線路和3臺水泵。在對系統設計進行分析過程中，需要對系統干擾和變化誤差問題進行分析，使得系統在設計后逐漸趨于穩定，避免偏差繼續變大，加速提升其控制響應能力。在設計中，為了有效減小系統中絕對誤差，還可采用一般控制方法，主要圍繞系統動靜態性能進行分析并提高，有效提高系統穩定性，避免產生振蕩效應。而其中振蕩效應主要分3級：分別為中等、較大和大，結合經驗歸納法建立模糊PID控制器控制規則，構建規則庫中的單雙輸入規則，構建至少49條模糊PID規則，共同組成模糊PID控制器體系。在充分結合現代新技術內容過程中，其采用到了PLC編程控制技術內容與變頻控制技術內容，圍繞電機泵組控制技術建立系統技術體系，確保水泵出水總管電壓信號從模擬信號到數字信號轉換到位，最終獲得恒壓供水系統供水數字總量。如果生產中用水量減少，水泵運行頻率會實現自動調節，直到降低到下限運行頻率，保證供水量依然處于較大用水量水平。而如果系統自動停止工頻操作運行水泵，則需要相應增加變頻水泵運轉速度，基于用水量對變頻主泵工作狀態進行分析，某小區所采用的是輔助泵配合小型氣壓罐為小區供水[1]。

3.3案例系統中的技術要點實踐應用

某鋼鐵企業的恒壓供水系統中采用到了高壓變頻器，其中涉及諸多豐富技術內容，主要就包括了PLC選用及程序、高壓變頻器、主控電路等等。其變頻器每相由8個額定電壓為720V的功率單元串聯而成 ，輸出相電壓5760V，線電壓達10000KV。每個功率單元分別由輸出變壓器的一組二次繞組供電。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。采用多脈沖二極管整流電路結構，輸出電壓和電流幾近完美的正弦波。下文將逐一展開分析，深入分析理解案例系統中的技術要點實踐應用。

3.3.1 PLC程序實踐應用

首先，某鋼鐵企業在恒壓供水系統中安裝了輔助高壓變頻器的PLC控制系統。PLC的選用原則需要考慮到系統的整體性價比，保證做到性價比越高越好。例如針對電機的啟停設計、定期切換以及自動投入供水泵變頻控制方面都會采用到PLC進行遠程編程與可視化操作，主要對系統開關、輸入、輸出等功能進行智能化控制。綜上所述，某鋼鐵企業恒壓供水系統采用的正是PLC搭載可擴充模塊、模擬量模塊，它的主要組成結構就包含了主機單元配合AC/DC繼電器，另外還有大量的可擴充單元與模擬單元。從程序技術應用層面看，它充分利用到了高壓變頻器主程序以及啟動子程序，其中主程序中就涵蓋了各種調節程序內容，例如可對電機設備內容進行隨意切換，降低電機程序運行壓力。而啟動子系統則主要希望清零無用子程序內容，確保變頻器能達到濾波時間技術要求，對設備系統穩定運行操作非常有好處[2]。

3.3.2高壓變頻器實踐應用

某鋼鐵企業在選用高壓變頻器過程中主動設置其變頻器參數，合理優化供水功率與變頻器頻率相互匹配，體現系統性能最大化技術優勢，保證其大于供水泵實際功率。考慮到變頻器在運行過程中能夠實現對初始參數設置的有效優化，如此就提出了系統自動調整機制，保證運行水泵數量與負荷相互匹配，同時對比例項中的參數內容進行調整，確保系統動態有效優化。在該過程中，需要對系統響應速度進行優化，保證系統運行更加穩定。總體來講，需要基于變頻器負載特性滿足技術應用要求，配合變頻器負載特性要求滿足鋼鐵企業恒壓供水系統正常穩定供水要求。在該過程中，需要選用變頻器按照負載特性滿足供水要求，同時按照負載特性滿足供水指標變化要求。某鋼鐵企業恒壓供水系統所采用的是西門子高壓變頻器，其參數設置包含了P0003專業級、P0970=1復位完成專業級兩點。

在這里，采用PLC對手動設定壓力信號與現場壓力傳感器進行分析，合理反饋信號分析計算相關技術內容，并將壓力偏差內容轉化為PID精算內容，在精算后轉化0～5V模擬信號施再將數據輸入到變頻器之中，確保系統PLC能夠對模擬輸出量與壓力偏差值進行有效比較，在針對電動機變頻轉速確定過程中追求穩定動力系統工作壓力釋放，保證達到恒壓供水狀態有效穩定。

3.3.3主控電路實踐應用

在主控電路實踐應用方面，某鋼鐵企業中的三臺電動機在啟動過程中采用到了電機變頻運行機制，同時系統中還專門設置了水泵電機主電路隔離開關，同時主電路熔斷器采用的是FU，通用變頻器采用的是VVVF。基于鋼鐵企業恒壓供水實際情況，需要對電控系統控制技術內容進行分析，建立手動、自動轉換開關，兩套開關均采用到SA，配合手動控制狀態首先將SA調整到手動位置，自動控制狀態時則將SA調整到自動位置。如果是在手動控制狀態下，需要同時控制3臺電機同時啟停，保證電磁閥通斷自由。此時利用按鈕再對SB實施有效控制，保證自動運行狀態穩定，同時將系統控制在PLC程序上，保證其控制后系統平穩正常運行[3]。

結束：

基于高壓變頻器配合PLC系統的恒壓供水系統建設應用需要首先思考提升其系統運行安全可靠性，在傳統普通水塔供水系統基礎之上運用諸多先進創新技術內容，解決傳統水塔供水系統所存在的承重負荷過大、容易出現二次污染、易耗電耗能等等問題，達到節水、節能、節本、節地等等目標，即便變頻器在出現故障后依然能夠保證系統供水穩定，且在故障出現后依然能夠追求實現快速故障排除并自動啟動系統。這也說明了基于高壓變頻器的恒壓供水系統在技術應用方面是具有一定的先進性與推廣價值的。

參考文獻：

[1]董偉. 淺析基于PLC及變頻調速小區恒壓供水系統設計[J]. 科技風， 2020， 000（002）：9-10.

[2]徐占國， 鄭鳳翼. 圖解觸摸屏.PLC.變頻器綜合應用工程實踐（第2版）[M]. 電子工業出版社， 4128.

[3]肖睿， ?劉源全， ?田敔晗，等. 基于變頻器內置PID模塊和控制器模塊的恒壓供水系統設計[J]. 節能， 2020， 039（003）：71-75.

（南京鋼鐵集團，江蘇 南京 210000）