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摘要：恒压供水系统中运用变频器不但能提升系统的稳定性和可靠性，而且能够起到延长水泵使用寿命、节约电能的作用。本文首先以恒压供水需求特点展开分析，并重点介绍了基于变频器驱动技术的恒压供水系统的硬件构成及控制策略分析，最后提出了几点在恒压供水系统中变频器选择和设计的关键要点，希望为我国供水领域提供一些参考思路。
关键词：变频器；恒压供水系统；控制原理
引言
在我国的市政供水系统中，主要包括三种供水模式，一是直接供水、二是利用天台水池供水，三是利用泵站进行恒压供水。其中前两种供水方式水压很不稳定，容易造成局部楼层缺水，且容易造成二次污染，卫生管理较为困难。而恒压供水模式水压恒定，适用性强，但也具有系统负载大，耗电量高的问题。因此，为解决恒压供水模式的不利因素，可以利用变频器驱动技术来控制水泵运行，提高系统的稳定性，降低系统用电载荷。
一、恒压供水需求特点分析
近年来，随着城市化发展进程的不断推进，城市所辖面积越来越大，城市人口数量和密度也在不断增加，高层建筑也越来越多。因此，高层建筑供水面临着更加严峻的压力，供水系统的稳定是社会安定和谐的重要保证。对于建筑供水系统而言，最重要的一点是要保持适当的供水压力，如果压力过低，较高楼层可能会出现供水量不足或者停水问题，如果压力过高，一方面会浪费能源，另一方面也容易造成供水管路负载过大，导致水管爆裂或阀门泄露等各种问题。所以，当前的建筑供水大多采用恒压供水工作模式。恒压供水系统的主要功能是根据供水系统内的压力反馈来调节供水泵站的运行状态，当用水量较小时，水管内的压力值相对稳定，供水泵就需要工作在较小的负荷水平下，维持住必要的供水压力即可。当在用水高峰期时，供水管路系统内的压力值快速下降，这时就需要加大供水水泵运行负荷，快速补充供水管线内的水压，保证供水压力稳定。因此，供水泵的运行工况是处在较为复杂的变载荷运行工况下的，需要完善的控制系统和变频驱动设备来实现对泵站电机的平滑控制，进而维持供水系统水压基本处于恒定状态。其实，变频器的功能就是为了实现水泵电机的平滑转速调节。变频器是将电网提供的工频（50Hz）交流电转换成输出频率连续可调的交流电源，实现交流电机平稳、变速运行的装置。（三相异步电动机的速度公式为：n=60f/p（1-s），f为工频，p为电动机极对数的转差率）。交流电动机变频调速技术是一种应用广泛的节能技术，可以实现设备的软启动，减少对电网的影响，同时降低水泵电机故障率，有效降低电能消耗。
二、变频恒压供水系统的硬件组成及控制原理
1.变频恒压供水系统方案的选择
变频恒压技术在供水管网中得到了广泛的应用，并已十分成熟，比较常用的变频驱动系统控制方式是“一拖一”和“一拖多”。具体选择应根据供水系统的实际情况而定。比如，针对用水量较为稳定的供水系统来讲，可以采用一对多的驱动方式，比如对于50kw负载需求的泵站系统，可以采用两台30kw水泵电机，在负载不大的工况下，可以分别启动单台泵站电机，从而减少电能消耗，当用水量上升需要加大负荷时，可以两台同时开启。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于用水量变化较大的供水系统，可以采用单台50kw水泵电机，当系统供水压力出现明显波动时，50kw水泵电机负载容量较大，能够实现更快速的功率输出调节，从而更好的保证供水系统处于压力恒定状态。
2.变频恒压供水系统硬件功能分析
在变频恒压供水驱动系统中，硬件主要包括压力反馈传感器，PLC自动控制器、变频器和水泵电机四个主要部分组成。在硬件系统中，传感器和PLC属于自动控制部分，变频器和泵站电机属于执行机构部分。其中压力反馈传感器的功能在于检测系统内的水压，并将水压信号反馈到PLC自动控制器中，PLC根据压力反馈信号来计算出水泵电机需要提供的压力值，进而计算出水泵需要的运行转速，再将转速指令信号发送给变频器，变频器根据转速指令信号驱动水泵电机，确保水泵电机运行在合理的转速范围内，从而维持供水系统的恒定压力。
一般较为常用的压力传感器主要采用电阻式传感器，电阻式压力传感器信号精度较高，电磁兼容性较强，不容易收到外界环境的干扰。PLC控制器全称是可编程逻辑控制器，是工业自动化控制领域非常常用的一种控制设备，PLC与计算机系统较为相似，具有独立运算功能的CPU，同时拥有数据存储器来装载软件控制程序，并能够存储一些运行数据，PLC中能够扩展各种各样的I/O信号板卡，包括模拟量、开关量的输入输出，此外PLC还具备现场总线通信功能，能够和其他自动化设备进行数据通信，并和上位机系统进行数据交换，是现场控制设备的核心。变频器是将50Hz的交流电源频率转换为输出频率连续可调的交流电源的电气设备，是输出频率可调的电源。常用的水泵电机多为三项交流异步电动机，其速度公式为n=60f/p（1-s），可以看出，通过改变电动机电源的频率f，可以实现电动机的无级调速。在恒压供水系统中，传感器接收来自传感器的压力信号，通过传感器内部的采样程序和PID闭环程序与用户设定的压力形成闭环，控制终端设备的电机，以满足恒压供水系统的要求。
3.变频恒压供水系统控制策略分析
压力传感器检测管网压力，将压力信号转换为标准电信号，发送到变频器的模拟量输入端，与设定压力值进行比较，并将判断结果转换为频率调节信号。变频器根据频率信号调节电机的运行频率，进而实现对转速的控制。在自动运行过程中，电机的工频运行和变频运行继电器由PLC控制，泵的增压和减压根据情况进行控制。当用水量增加时，变频器输出频率增加，如果水压仍低于目标值。PLC控制将1号泵切换到工频运行，同时启动2号泵并进入变频运行，如果用水量继续增加，当2号泵加速运行的变频器输出频率达到工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换到工频恒速运行，以此类推启动水泵电机。当水压下降时，变频器输出频率降至启动频率，水压仍高于设定值，停止泵的运行，系统恢复水压力的闭环调节，使压力再次达到设定值。
三、变频恒压供水系统设计中应注意的问题
在使用变频恒压供水系统时，我们应注意以下四点：第一，在变频器的选择和设计中，应了解水泵的功率和额定电流，只有当变频器的额定电流为电机额定电流的1.2-2倍时，才能保证系统不受恶劣环境的影响，实现正常运行。其次是合理控制变频器的载波频率，消除漏电流对机泵的影响。第三是根据负载动态变化特点合理调整变频器加减速斜率，进而提高水压的稳定性。最后是要根据水泵电机运行参数确定变频器频率输出范围，避免在过低或过高的频率下运行，影响运行效果。
结语
综上所述，在供水系统中，利用自动化变频驱动系统能够有效提升供水系统的稳定性和可靠性，并有效减少系统内设备的机械损耗和电能消耗，大大提升供水系统的经济运行能力。因此，供水系统设计要依据实际供水需求，合理选择变频器、PLC控制器及外围辅助控制设备，提高系统的运行效率，从而有效提升供水企业的经济效益。
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论文作者:储邓鹏
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/19
标签：供水系统论文; 变频器论文; 水泵论文; 压力论文; 电机论文; 水压论文; 频率论文; 《防护工程》2019年11期论文;