变频器在高压给水设备恒压供水中的应用

1　引言　 

    高压给水设备供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而 主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。高压给水设备变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其 优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于 生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。高压给水设备恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在高压给水设备供水中可完成以下功能：

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可手动/自动运行；

（3）多台泵自动切换运行；

（4）系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；

（5）在线调整PID参数； 

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。 

    将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。 

2　高压给水设备系统硬件构成　　 

    高压给水设备系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置，实现所需功能。 

    安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为4～20 mA的电流信号，提供给PLC与变频器。 

　　变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将0～50 Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速。ACS变频器功能强大，预置了多种应用宏，即预先编置好的参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量减小到很小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。该宏提供了6个输入信号：启动/停止（DI1、DI5）、模拟量给定（AI1）、实际值（AI2）、控制方式选择（DI2）、恒速（DI3）、允许运行（DI4）；3个输出信号：模拟输出（频率）、继电器输出1（故障）、继电器输出2（运行）；DIP开关选择输入0～10 V电压值或0～20 mA电流值（系统采用电流值）。变频器根据给定值AI1和实际值AI2，即根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。 

　　根据泵站供水实际情况与需求，利用一台变频器控制3台水泵，因此除改变水泵电机转速外，还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定，当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时，要投入下一台泵运行。反之，当变频器输出频率降至很小，压力仍过高时，要切除一台运行泵。所以不仅需要开关量控制，还需数据处理能力，采用FX－4AD（4模拟量入）获得模拟量信号。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样，随时将模拟量转换为数字量，放在数据寄存器中，由数据处理指令调用，并将计算结果随时放在指定的数据接触器中。通过其可将压力传感器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量，提供给PLC[1>，与恒压对应电流值、频率上限、频率下限（考虑到水泵电机在低速运行时危险， 须保证其频率不低于 20Hz，因此频率上限设为工频50Hz，下限设为20Hz）进行比较，实现泵的切换与转速的变化。 

　　高压给水设备系统在设计时应使水泵在变频器和工频电网之间的切换过程尽可能快，以保证供水的连续性，水压波动尽可能小，从而提高供水质量。但元件动作过程太快，会有回流损坏变频器。为了防止故障的发生，硬件上 须设置闭锁保护，即1Q与4Q，2Q与5Q，3Q与6Q不能同时闭合。 

3　高压给水设备系统软件设计　　 

　　控制系统软件是指用梯形图语言编制的对3台泵进行控制的程序。它对3台泵的控制，主要解决 系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。 

　　当变频器输出频率达到频率上限，供水压力未达到预设值时，发出加泵信号，投入下1台泵供水。当供水压力达到预设值，变频器输出频率降到频率下限时，发出减泵信号，切除在工频运行方式中的1台泵。系统刚启动时，情况简单，首先启动一号泵即可。但考虑3 台泵联合运行时情况复杂，任1台或2台泵可能正在工频自动方式下运行，而其他泵则可能在变频器控制下运行，因此 须预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后，按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。获得减泵信号后，按照3号泵、2号泵、1号泵的顺序优先考虑。 

　　为了防止故障的发生，软件上也 须设置保护程序，保证1Q与4Q、2Q与5Q、3Q与6Q不能同时闭合。在加减泵时 须设置元件动作顺序及延长时间，防止误动作发生。 

　　考虑到系统工作环境对运行状态的影响，在设计中采用硬件、软件上的双重滤波来消除干扰的影响。硬件上变频器提供了滤波时间常数，当模拟输入信号变化时，63％的变化发生在所定义的时间常数中；软件上采用数字滤波的方式，系统采用平均值的方法[2>。 

4　高压给水设备系统参数的确定　　 

　　系统变频运行主要靠变频器来实现。变频器有一数量很大的参数群，初始情况下，只有所谓的基本参数可以看到。只需设定简单的几个参数，变频器就可以工作。 

　　除基本参数外，还 须对完整参数进行设定。　　 

　　完整参数的设定主要是PID参数的整定，它是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数Kp，TI，TD。 

　　变频器根据偏差调节PID的参数，当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着偏差的逐步接近，跟踪的幅度逐渐减小，近似相等时，系统达到一个动态平衡，维持系统的恒压稳定状态[3、4>。 

5　试验结果　　 

　　由于系统的显示和通讯功能，可以对系统工作情况进行监测。考虑到管网覆盖面积大，泵站海拔高度相对低，远端供水压力需维持3kg，因此泵站出水口压力 须维持5kg。试验条件为管网初始无压力，电磁阀控制 定量相同用水情况下启动系统。获得的数据经MATLAB进行插值拟合可得系统在不同条件下跟踪压力变化的曲线。 

　　试验记录的数据显示，系统在未进行滤波和PID控制时，响应速度特别慢、误差大、振荡严重。在未进行滤波而引入数字PID控制时，响应速度明显加快，但振荡问题未能得到解决，这是由于喘振现象的存在；当管道压力与设定值近似相当时，水锤效应影响明显，压力波动异常，PID的参数跟踪整定，形成恶性循环，管道中空气的存在也会导致振荡问题。 

　　该系统是按照工业生产需求设计的，实现了预定的一系列功能，保证了系统的稳定性，在长时间运行中取得了良好的效果。只需作相应修改就可推广到相关供水系统中。

高压供水设备介绍

      高压供水设备是长沙中赢供水公司技术部科研人员新进研制的无负压变频调速给水设备，系为解决传统生活供水系统中，水泵的直接接入自来水管网产生的负压问题而开发的，型号为中赢系列无负压变频给水设备（管网调节增压设备）。该产品不但解决了地下水池的二次污染问题，还可以和纯净水设备配套，直接作为饮用水的增压设备，可以在任何一个需要管网增压的供水系统中使用。该系列产品获得多项实用新型 专利。

高压供水设备特点

1、 节电节水

      高压供水设备采用变频进行软起动，避免了电流冲击。同时是因实现恒压控制，也避免了对管网的冲击，延长了管路及阀门的寿命。传统的水池二次加压供水方式将自来水放入水池，使原有的自来水稀放为零，浪费了自来水的原有压力能。

      该设备利用调节装置与自来水管网联接可充分利用管网的压力能，节电可达到50%~90%。

2、 消除了地下水池的二次污染

      传统的水池二次加压供水方式将自来水放入水池，水池的水易于被赃物甚至动物尸体所污染，尤其在夏天易产生藻类或滋生蚊虫，直接影响到用户的身体健康。该设备利用调节装置采用封闭式供水方式，消除了二次污染。

3、 节省投资，减少占地，安装、使用、检修方便

      建造水池，工程总投资大，并且使用过程中要定期清洗，不但增加了工程的总投资，还增加了日常的维护费用。该设备利用调节装置供水，节省投资，减少占地，根据用户的现场情况可以采用立式或卧式不同的安装方式，检修方便。

4、 采用PID闭环调节，恒压精度高，水压波动小。

5、 具有过载，短路，过流等各种自动保护功能。

6、 自动化程度高，运行可靠，管理方便。

高压供水设备工作原理

1、 微机设定给水泵工作压力，即用户用水压力。生活给水时，设备运行在低压变频状态，由变频器时刻监控管网压力，对反馈值和设定值进行运算和比较计算，若网管压力高于用户所需压力（设定压力）则自动减少输出频率，从而使泵的转速减少，出水量减少。若管网压力低于用户所需压力（设定压力）则自动增加输出频率。从而使泵的转速增加，出水量增加，当一台泵运行满足不了用户需要时，其它各台泵自动投入，以保证用户的使用压力。

2、 当自来水管网的压力升高到达与用户使用压力时候，变频器经过一段延长时间后便降低转速直到停机，只有当压力降到某一设定压力值时，变频器才重新开始工作。变频泵组的工作只是满足用户的用水压力与管网压力之差，大大节约了电能。

3、 当流量调节器内压力低于一个大气压时，安装在流量调节器顶的负压消除器自动打开，使气体进入流量调节器内，消除负压。当流量调节器内压力升高时，又可以将多余的气体排出流量调节器外，使流量调节器内蓄满水，以备下次用水高峰期时使用。当流量调节器内蓄满水后，安装在流量调节器顶的负压消除器自动关闭，防止溢流。

高压供水设备工作过程

1、 管网压力高于或等于用户压力时 当自来水压力高于用户使用压力时，旁路止回阀导通，由自来水直接供给用户用水。 用户压力高于或等于设定压力，变频设备不运行，水泵处于停机状态。

2、 管网压力低于用户压力时 变频设备开始运行，水泵处于开始运转。

A、 管网流量大于等于用户用水量时

若流量调节器内有空气则压力升高，又可以将多余的气体排出流量调节器外。使流量调节器内蓄满水以备下次用水高峰期时使用。当流量调节器内蓄满水后，安装在流量调节器顶的负压消除器自动关闭，防止溢流。流量调节器内压力恢复至自来水管网压力。 若流量调节器内没有空气，流量调节器内压力保持自来水管网压力。 水泵提升压力为用户用水压力—管网压力

B、 管网流量小于用户用水量时

流量调节器内压力降低，当流量调节器内压力低于一个大气压时，安装在流量调节器顶的负压消除器自动打开，使气体进入流量调节器内，消除负压。流量调节器内压力降为零。流量调节器内的水与自来水的流入水共同提供给用户用水。流量调节器内储备水补偿的是用户用水与管网流量之差。 水泵提升压力为用户用水压力。

高压供水设备产品性能指标

      中赢系列高压供水设备（管网调节增压设备）是采用先进的设计技术自行开发研制的新型供水设备。具有变量恒压，供水压力精度高的显著特点，即在压力不变的前提下，流量从零到较大工作流量范围内，供水压力变化范围在±0.01Mpa以内，可消除对自来水管网生产负压的现象，提高了生活给水系统的可靠性；占地面积小，节省建设投资，安装使用维护方便；是适合用于工业及民用建筑生活系统的理想给水设备。

高压供水设备（管网调节增压设备）主要指标如下：

流量范围：2.4m3/h—300m3/h

压力范围：0Mpa—1.6Mpa；（可调）

转速范围：0-1450r/min或0-2950r/min；（可调）

高压供水设备选型说明

      高压供水设备的选型是根据用户自来水管线、压力与流量，用户实际用水量、建筑物的高度等数据来确定的，设备表用的调节器容积时按照自来水流量满足要求的情况下估算的，如果自来水管路很细，流量不能满足用水高峰期的用水要求，需要重新计算调节器的容积，推荐公式如下：

V容积=（Q出—Q进）△t

Q进=24H内高用水高峰期自来水进水量

Q出=24H内高用水高峰期用户用水量

t= 很大用水高峰期持续时间