變頻器在水泵供水系統中的應用

范健超

(烏海市治沙站，內蒙古 烏海 016000)

水泵供水系統是為了滿足城市居民用水的需要從而根據不同地區用水量的差異、通過水泵的變化來調節水壓及流量的供水系統。有兩種常用方式可以實現供水系統調節。較為傳統的方式是通過控制水泵閥門的大小來控制流量，開大閥門，水流增加，關小閥門，水流減小。在工作時通過電機控制閥門可能出現過載現象，有時會出現在水流量較小時壓力反而較大等問題。另一種調節水泵壓力和流量的方式是概念水泵的轉數，如果需要流量較大，可以調高水泵轉數。如果需要較小的流量，則可以降低水泵的轉數。實際工作中，水泵轉數的調節主要通過使用變頻器來實現。

1 變頻器的概念分析

變頻器也被稱為變頻調速器，它能夠調節三相異步電機的轉速，以模擬正弦波為主要輸出波形。目前，變頻器主要以“交——直——交”的方式工作，變頻器先將工業用電傳輸的交流電變成直流電，然后再把直流電變成電壓和頻率可以控制的交流電，并最終傳輸給電機使用。變頻器在工作時，其工作電路由整流、中間直流、逆變和控制四個環節構成，整流和逆變的過程分別是通過使用三相橋式不可控整流器和IGBT三項橋式逆變器實現的。

水泵供水系統也被稱為供水設備，主要由泵機、控制器、壓力傳感器和其他輔助部件組成。對于變頻供水系統，主要類型包括無負壓供水系統、無塔變頻系統、雙模變頻系統、一體式家用供水設備、數控氣壓系統等。對于變頻器供水系統而言，需要持續二十四小時運行，并能夠根據水壓的大小實現自動調整。為了保證供水質量，還需要盡量避免水泵因啟動頻率過高而造成的突然停止等問題的發生。

2 變頻器的具體應用

2.1 系統構造

一般而言，完整的變頻水泵供水系統中，除了水泵外，還應包含以下控制設備：壓力變送器、PLC系統控制器、接觸器、其他電控設備。

部件名稱設備模塊壓力變送器位于總出水管處,在用水處的水池內也可以安裝兩個壓力變送器PLC控制器主要由西門子S7-300模塊組成接觸器運用MP277———10寸觸摸屏作為人機界面,CPU是315———2dp型號的電控輸入/出模塊Sm331和Sm332分別作為系統模擬量的輸入、輸出模塊,而Sm321和Sm322是數字量的輸入、輸出模塊

2.2 工作原理

從原理上看，變頻器是通過改變水泵電機的轉速從而實現水壓和水量調節的。變頻器調節水的壓力和水量具有精度高的特點，從而使變頻器和水泵在最有效的范圍內工作，并根據需要隨時變換水壓、調整水量的大小，起到節水節能的作用，這與國家提倡的綠色發展、可持續發展的理念十分契合。根據物理學中流體力學的知識，處在高速旋轉中的物體，其軸功率與它的轉速的立方成正比例關系。因此，要想提高水泵的功率，只需要稍微提高水泵的轉速就可以達到目的。從節能的角度看，通過調整轉速來實現是十分必要可行的。

控制變頻器需要使用水位變送器電源和壓力變送器，具體的調節過程包括“粗調”和“微調”。在粗調時，如果水網所承受的實際壓力比預先設定的壓力小，變頻器的實際輸出功率就會上升，當功率上升達到上限，水網的壓力仍然小于實際設定壓力，那么變頻器就會自動切換到正常電源頻率，并同時啟動另一臺水泵，使其在變頻狀態下工作。而微調則是通過PID控制器實現，主要實現途徑除了使用PLC編程，也可以使用控制器自帶的PID算法。

2.3 工作方式

變頻器供水系統主要有兩種工作方式：一是現場操作，二是遠程操控。現場操作主要是通過手動完成的，同時具有信號反饋的功能，適用于當變頻器出現故障需要維修或者對其進行定期檢查時，可以根據現場情況和水泵的實際情況進行操作，控制系統的停止或者開始。在遠程操控變頻器的過程中，主水泵和備用水泵通過循環投切的方式開啟切換，當變頻器出現故障時，軟啟動器自動按下轉換按鈕，從而代替變頻器工作。當合上自動開關后，主水泵的電機就進入工作狀態，變頻控制器就開始上升，同時可以對傳感器的壓力數據進行檢測。如果水壓較小，變頻輸出功率就會不斷升高，達到50赫茲時，主水泵就會以工業電壓頻率工作，啟動備用水泵并不斷加大水壓，這樣就可以使壓力達到水泵可以正常工作的狀態。如果水泵系統在工作的時候遇到突發狀況，如停電或其他故障造成停機，系統會自動重啟，然后按照預先設置好的順序啟動變頻器和水泵。要使供水系統正常工作，系統調頻設置非常關鍵，操作人員應將供水管路總壓力作為變頻水泵的最高工作水壓，然后科學設定變頻器壓力，這樣可以有效提高系統的壓力曲線。通過這樣的設定，就可以使供水系統中的主、備用泵之間總有一臺處于正常工作狀態，同時使另一臺停止工作或以工業電壓頻率工作。

3 變頻器供水系統操作注意事項

3.1 系統工作時因壓力問題導致的震蕩現象

目前，我國多數水泵供水系統都是以壓力罐的辦法收集壓力點。但在收集過程中，壓力罐往往會發生震蕩，這一方面是因為空氣具有可以壓縮的特殊性質，另一方面是由于隨著壓力的增加空氣的溶解度也隨著增大。如果壓力收集點的位置與水泵出水口的距離較近，也會出現震蕩的現象。壓力傳感器一般安裝在采集點的上方，它受到水流的影響比較顯著，如果傳感器在出水口附近，那么測量出的數據就會出現不穩定的現象。要有效解決供水系統使用時出現的震蕩問題，除了科學設置壓力罐位置，還需要科學合理地設置控制器和變頻器的變化時間，使二者的加速、減速時間相匹配，保持系統能夠穩定工作。

3.2 防止水泵供水系統頻繁啟動

對整個供水系統而言，如果水壓正常，水泵供水設備是處于停止狀態的；只有當供水系統的壓力值小于設備設定值時，變頻水泵系統才會啟動。但是，系統如果頻繁地在啟動——停止狀態中切換，會影響到整個設備的使用壽命。為了避免出現這種情況，可以根據供水系統的實際情況，適當調高各項參數的設定值，減少水泵供水系統啟停的頻率。

3.3 注意設備泵的模擬輸出值

如果水泵供水系統模擬輸出值設置不合理，設備就不能正常穩定地工作。因此，一定要根據供水系統的實際情況科學設置水泵的模擬輸出值。如果水泵經常出現故障，就需要考慮是否是系統設定的問題，并進行改進。檢測的方式是先將控制器設定在“手動”狀態，然后使用萬用表測量不同頻率下控制器的輸出狀態，如果控制器輸出頻率與系統工作的頻率不一致，那就需要調整控制器的模擬輸出值。

4 結語

與傳統供水系統相比，水泵變頻設備自動化程度高，具有安全、高效、節能等諸多優點，在我國的使用也越來越普遍。一方面應該努力在供水系統中推廣使用變頻設備，另一方面也應該認真總結使用中存在的問題，進一步提高水泵供水系統的效率。