变频技术在恒压供水中的应用

刘金磊，姚 磊

（淄博市自来水公司，山东淄博 255000）

1 变频恒压供水原理

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，使供水行业的技术装备水平从20世纪90年代初开始经历了一次飞跃。开始从原来的工频供水方式向变频供水方式转变，并且出现了恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，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。

变频器是电机变频调速的执行者，只要改变f，就可实现n的变化而达到无极调速的目的。其转速方程式为：

n=60f（1-s）/p

其中：f为电源频率；p为电机极对数；s为电机转差率；n为电机转速。

恒压供水系统集变频调速技术、PLC技术、PID控制技术等为一体，可组成完整的闭环控制系统。恒压供水系统在工作时，一般通过安装在出水管道上的压力传感器来检测压力的变化，并不断向变频器传输变化的信号，通过和变频器设定的压力相比较后，变频器通过改变频率来改变水泵电机的转速，并且通过PLC进行逻辑控制开机台数，保证供水管网压力恒定。

2 调节水泵转速的节电原理

采用交流变频技术控制水泵的运行，是目前供水设备节能改造的有效途经之一，图1绘出了阀门控制调节和变频调速控制两种状态的水泵功率消耗——流量关系曲线。

由图1可知变频器控制和阀门控制水泵所消耗的不同功率，在水泵流量为额定的60%时，变频器控制与阀门控制相比，功率下降了60%，所以水泵仅仅依靠阀门控制是远远不够的，进行变频器控制的节能改造是十分必要的。

图1 流量关系曲线图

对水泵来说，流量Q与转速N成正比，扬程H与转速N的二次方成正比，而轴功率P与转速N的三次方成正比，表1列出了它们之间的关系变化。

表1 流量Q与转速N关系变化表

由表1可知用变频调速的方法来减少水泵流量进行节能改造的经济效益是十分显著的，当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降。

计算公式：水泵节电率=[1-（变频器运行频率÷50 Hz）3]×100%。

例如：水泵转速降低30%，即变频器运行频率＝35 Hz，水泵节电率＝[1-（35 Hz÷50 Hz）3]×100%＝65.7%；水泵转速降低20%，即变频器运行频率＝40 Hz，水泵节电率＝[1-（40 Hz÷50 Hz）3]×100%＝48.8%。

3 应用实例

淄博市自来水公司尚文苑泵站采用的是无负压变频恒压供水设备，该泵站共有4台泵，采用的变频器为三垦SAMCOVM05，SPF系列，通过变频器内置PID进行压力控制，并充分利用变频器自身所带输入输出端子的功能，给PLC输入信号，由对泵进行逻辑控制，根据用水量实时控制开停泵，达到恒压供水的目的。

3.1 变频器选择及参数设定：

选用日产三垦SPF系列变频器，该变频器具有操作简单、运行可靠等特点，在供水企业得到广泛的应用。

3.2 图纸说明

图纸说明如图2所示（仅变频器和PLC部分）。

3.2.1 变频器接线说明

D01为开泵信号输出（上限频率一致时输出信号）。

D02为关泵信号输出（下限频率一致时输出信号）。

FA、FC为变频器故障指示（变频器故障报警时输出信号）。

DI1为变频器运转信号，与DCM1接通变频器开始运转。

DI7为变频器故障复位端子，与DCM1接通变频器故障复位。

VRF1、+V1、ACM接远传压力表。

3.2.2 PLC接线说明

I0.0为开泵信号。

I0.1为关泵信号。

I0.2为无水保护信号。

I0.3为超压保护信号。

I0.5为出水压力低信号。

I0.6为变频故障信号。

I0.7为1#泵检修信号。

I1.0为2#泵检修信号。

I1.1为3#泵检修信号。

I1.2为4#泵检修信号。

Q0.0为1#机变频启动。

Q0.1为1#机工频启动。

Q0.2为2#机变频启动。

Q0.3为2#机工频启动。

Q0.4为3#机变频启动。

Q0.5为3#机工频启动。

Q0.6为4#机变频启动。

Q0.7为4#机工频启动。

Q1.0为变频器运转信号输出。

3.3 运行工艺

3.3.1 开机顺序

在自动运行模式下，设备首先检测是否有无水信号，出口压力是否低于设定值，如果管网有水而出口压力低于设定值的则1#水泵启动，当1#泵运转频率到达50 Hz（上限频率一致），则D01输出，8KA线圈得电，其常开触电闭合，经I0.0给PLC输入开泵信号，得开泵信号后，直接工频启动2#泵；如果启动2#泵仍无法满足，直接开3#工频，以此类推；如果4台机全部启动，出口压力仍不能满足要求，则变频器报“断线故障”，需检查远传压力表及其信号线。

图2 图纸说明图

3.3.2 关泵顺序

假设在上述开机顺序下4台泵全部开启后满足供水要求，随着用水量的减少，变频器已经在所设定的下限频率（下限频率一致）运行，则变频器D02输出，7KA线圈得电，其常开触点闭合，经I0.1给PLC输入关泵信号，2#工频泵停机，以此类推，先开先停，保障各泵开机时间基本相同。

3.4 泵循环顺序

从1#机开始，每24h换1台变频泵。

4 其他功能

4.1 休眠控制功能

当只有1台水泵运行且运行在下限频率（20 Hz）时，此时控制系统认为无人用水，DO2输出关泵信号给PLC，PLC控制整套设备进入休眠状态，直接让水泵停止运行，最大限度节约电能。在采用此种供水方式时，一般还设一个下限压力，当出水压力低于下限压力时，系统重新唤醒，回复运行，直至进入下一个休眠状态。

4.2 定时轮换功能

经过设定实践，让系统中的水泵进行轮换，使系统中的所有水泵轮流参与运行工作，有效地防止水泵的锈死现象，提高设备的综合利用率，降低维护费用。特别是当泵的容量基本相似时，选择定时轮换功能比较合适，以免造成系统工作的震荡。

4.3 无水检测及控制功能

对清水池的液位或进口管网压力进行检测及控制。当清水池水位或进口管网压力正常时，系统按照正常设定压力运行；当水位或压力低于下限水位时，系统停止运行，防止设备在无水状态下干磨，损坏设备。

4.4 稳压控制功能

此项功能是根据特定情况设定的。假设压力传感器损坏，变频器接收不到反馈信号，此时PLC将认为压力不足而将所有水泵全部开启，不但造成能源浪费，还容易造成爆管事故。为了防止事情的发生，系统增加了稳压保护功能。设定了一个高压保护的压力，并配合一个下限压力，实行稳压控制：当压力高于上限压力时，水泵全部停止运行；当压力低于下限压力时，水泵再开启供水，周而复始，保障供水，直到维护人员更换压力传感器为止。

5 系统的应用效果

应用了变频恒压供水设备以后，尚文苑供水系统的优点如下。

5.1 高效节能

节约电能显著，节能量通常在30%左右。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。

5.2 恒压供水

实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。

5.3 自动运行、管理简便

新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。

5.4 延长设备寿命、保护电网稳定

机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

5.5 降低了噪声

变频器属于静音式，在夜间低速运行时，大幅度降低了供水系统的噪声，改善了环境。

5.6 维护更加简单

变频器有十分灵活的故障检测、诊断及显示功能，因此能及时发现机泵故障隐患，及时维修，提高了机泵运行的可靠性。

6 巡视与保养

变频设备日常巡视内容主要包括外观检查、零部件检查、功能检查、散热及故障检查。巡视人员要定期检查是否有异常震动、异常声音，是否有变形、破损，有无过热元器件，有无异味，风扇是否正常工作，控制电路显示情况、水泵电机运行是否正常，并定期清扫变频器，并查看历史故障代码（三垦变频器故障代码为098），了解运行情况。

变频恒压供水系统在与过去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可比拟的优势，而且具有显著的节能效果，随着供水工艺的不断革新，必将有越来越多的新技术、新方案得到开发、使用。