变频技术在供水系统中的应用

冉晟伊　熊于菽

[摘要]传统的供水方式存在较大弊端，引入先进交流电机变频调速技术来实施恒压供水，在提高供水质量，保持供水和用水之间的平衡以及节能方面都具有无可比拟的优势。

[关键词]变频调速 恒压供水系统

中图分类号：TM4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310128－01

在日常生活和生产当中，用户的用水量经常变动的，供水不足或供水过剩的情况时有发生。有时，甚至严重影响了我们的正常生产和生活。比如，在有些生产当中，供水不足可能会造成产品质量的下降，短时断水甚至会损坏设备。发生火情时，消防设备如果得不到足够的供水，会引起较大的经济损失和人员伤亡。造成这种用水和供水之间不平衡问题的原因有多方面，但都集中反映在供水的压力上。即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。如何提高供水质量，保持供水和用水之间的平衡。实现供水水压的恒定，成为了关键所在。一个高质量的供水系统，它的供水量是根据用水量的变化而变化的，用水多时供水也多，用水少时供水也少。

一、几种传统的供水方式

目前传统上常用的供水方式有水塔供水、高位水箱及地面气压供水等。水塔和高位水箱是蓄水设施，属于非匹配式供水，水泵的供水量总是大于系统的用水量。它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量。当水塔和高位水箱中的水处于高位时，水泵停止工作；水位降低时，则启动水泵进行蓄水。供水运行控制就是采用水泵的运行方式调整，加上出口阀开度调节供水的水量水压的方式。水塔和高位水箱的供水方式存在较大不足：首先，水塔和高位水箱要占用建筑空间，还要考虑它们的承重和后期的清理、消毒、维护等问题；其次，水塔和高位水箱只能人为观测水压进行调节，大量能量因消耗在出口阀而浪费，在无人值守时总要开启一个水泵运行，造成不必要的电耗。这种供水方式经常出现水压不稳，要么水量不足，要么管网破裂。

气压供水属于匹配式供水，它是利用气体的可压缩性原理，在水泵直接供水的系统中设置一个与水泵供水管网串接的密闭气压罐，利用气压罐内的压力变化自动控制水泵的启动与停止。这样，供水量可以适应用水量的变化而变化，保持一定的压力对管网自动持续供水。气压供水灵活性大，易实现自动控制。但由于气压罐安装有控制阀、安全阀、排气阀、压力表、水位表等配件，使气压罐做到完全气密是不可能的。有时，气压罐一夜之间漏失的气量可占储气量的60%～80%甚至更多。泄压使水泵短时间反复启动，直接影响了整个供水系统的稳定运行。

二、变频恒压供水方式

自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用，技术日臻完善。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃，取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。它起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等部件的使用寿命；此外，还可以消除起动和停机时的水锤效应。

目前，大多数供水系统采用的是比较先进的单台变频器控制多台水泵的变频恒压控制方式。通常是由水源、2个离心泵、压力传感器、PID调节器、变频器、可编程控制器（PLC）、管网组成。其原理图如下：

根据系统用水量的变化，控制系统控制两台水泵按照1-2-3-4-1的顺序运行，以保证正常供水。如果刚开始系统用水量不大，可控制1号泵在变频状态下运行，2号泵处于停止状态，如图的状态1。当用水量增加，变频器输出频率增加，1号泵电机的转速也增加。当变频器的输出频率达到最大时，单独1台水泵工作已经不能满足供水要求。此时，控制系统将1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而将2号泵接变频器电源起动，控制系统处于状态2。

当系统用水高峰过去后，用水量逐渐减少，变频器输出频率减少。若减至设定频率时，表示只要1台水泵就能满足供水要求了。此时，可将1号泵停止，仅让2号泵在变频状态下运行。如图状态3所示。如果以后用水量再次增加，变频器输出频率增加，2号泵电机的转速也增加。当变频器的输出频率达到最大时，表示单独1台水泵工作已经不能满足供水要求。此时，将2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而将1号泵接变频器电源起动，控制系统处于状态4。而此后如果用水量减少，则系统将回到状态1。如此循环往复，以满足系统用水的要求。

变频恒压供水系统工作时，关键是保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环反馈系统。根据被控制系统的非线性、大惯性的特点，采用模糊控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这些可以通过PLC加智能仪表可以实现其算法，并控制水泵的工频与变频之间的切换。当系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为电信号，传输至PID调节器，然后与用户设定的压力值进行比较和运算，并将比较和运算的结果转换为频率调节信号和水泵启动台数信号分别送至变频器和可编程控制器（PLC）；变频器据此调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速；可编程控制器械则根据PID调节器传输过来的水泵启动台数信号控制水泵的运转状态。就这样，通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒稳于用户预先设计的压力值，使水泵组供应的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变频恒压供水”的目的。

为了应对系统在供水过程中变频器出现故障的情况，应设计及时报警装置，并使由变频器供电的水泵改由普通交流电源供电，使水泵全速运行。不过这样就要考虑到整个用水系统管网的耐压能力，尽量选用流量扬程曲线平缓型的水泵，使其能够承受水泵全速运行时的全扬程水压。另外，PID调节器及可编程序控制器对多台水泵进行控制时，应把握“先起动先停止，后起动后停止”的原则，使水泵能循环运行，每一台的运行概率相同，避免出现某台水泵经常运行，而其他水泵经常停歇的情况。

三、结束语

变频恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。有资料统计，变频恒压供水供水系统与理想水塔供水系统相比多耗电6%，与气压供水系统相比，节电14%，而总的供水设备的消耗减少90%以上，约两年就可收回投资。变频恒压供水调速系统的这些优越性，必将引起国内外供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一领域的高新技术产品，向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向快速发展。

参考文献：

[1]周绍英，交流调速系统，机械工业出版社，1996.

[2]宋书中，交流调速系统，机械工业出版社，1999.

[3]曹承志，电机拖动与控制，沈阳工业大学出版社，2000.

[4]张少军、杜金城，交流调速原理及应用，中国电力出版社，2003.