恒壓供水系統(tǒng)的控制模式分析

王文君

摘要：文章介紹了恒壓供水系統(tǒng)的基本原理，重，最討論了多泵系統(tǒng)中變頻器與水泵之間的控制模式問題。就變頻器數(shù)量的確定，控制方式的選擇。水泵問的切換方式進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。

關(guān)鍵詞：恒壓供水；變頻器；同步切換；控制模式

中圖分類號(hào)：TU991文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-8136(2009)35-0115-02

長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)在工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水、市政供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度很低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低高層用戶無(wú)水可用的現(xiàn)象，而在用水低峰期，如高層住宅的夜間供水，水的供給量往往遠(yuǎn)大于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)會(huì)縮短各類閥件的使用壽命，甚至有可能引起水管的爆裂。

供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。應(yīng)能滿足用戶對(duì)流量的基本需求。以及一定的壓力和節(jié)能的需要。滿足用戶對(duì)流量的需求是供水系統(tǒng)控制的基本原則。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，流量的大小受到揚(yáng)程、管阻等因素的影響，但這些因素又難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制。在動(dòng)態(tài)情況下，由于管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間有如下的平衡關(guān)系：

供水能力Q_C>用水需求Q_U,則壓力上升；

供水能力Q_C<用水需求Q_U,則壓力下降；

供水能力Q_C=用水需求Q_U，則壓力不變。

因此，壓力可以用來(lái)作為控制流量大小的參變量。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。這就是恒壓供水系統(tǒng)的基本控制思想。要保證檢測(cè)點(diǎn)的壓力值恒定不變，就需要根據(jù)用水需求Q_U的變化，不斷地去改變供水能力Q_C。且前被廣泛采用的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)就是通過變頻器來(lái)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵揚(yáng)程及流量的控制，可以即時(shí)地改變供水能力Q_C。

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、PLC控制系統(tǒng)(或者單片機(jī)、DDC)、變頻器、人機(jī)界面、上位連接以及報(bào)警裝置等部分組成，其一般的工作過程：首先檢測(cè)給水池液位是否正常，若無(wú)異常則可直接由變頻器啟動(dòng)第一臺(tái)水泵，同時(shí)由壓力表測(cè)出管路水壓，將模擬量送到PLC控制器，與給定水壓值(設(shè)定上下限)比較后。控制變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速；當(dāng)變頻器頻率到達(dá)最大或最小時(shí)，由PLC控制加泵或減泵實(shí)現(xiàn)恒壓供水，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng)。本文將就變頻器與水泵之間的控制模式問題進(jìn)行重點(diǎn)討論。

1常用控制模式分析

1.1模式一：一臺(tái)變頻器不斷地在不同泵之間進(jìn)行切換控制

多泵恒壓供水系統(tǒng)為了提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備的投入費(fèi)用，常采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。當(dāng)變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行，變頻器再去起動(dòng)其他的電機(jī)。這種控制方式應(yīng)用非常廣泛，節(jié)能效果明顯，由于只使用了一臺(tái)變頻器，故投資也相對(duì)較少。但是由于不可避免地要進(jìn)行工頻電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作，所以也相應(yīng)地帶來(lái)一系列困難：

(1)一般的切換方式出于保護(hù)的目的，在變頻向工頻切換時(shí)，先切斷變頻電源，經(jīng)過足夠的延時(shí)使水泵電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降低到一定程度之后再由軟啟動(dòng)器再次啟動(dòng)水泵，但是由于延時(shí)的存在會(huì)引起水壓較大的波動(dòng)，而且延時(shí)越久，水壓波動(dòng)越明顯。

(2)為了避免水壓波動(dòng)過大，保證供水質(zhì)量，可以采用同步切換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。同步切換是指不經(jīng)過任何的延時(shí)。而是直接進(jìn)行變頻電源向工頻電網(wǎng)的切換。若能保證在切換前后頻率和相位一致，電機(jī)即可在變頻電源和工頻電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)平滑過渡，水壓也不會(huì)產(chǎn)生大的起伏。但是，如果不一致則在切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，有時(shí)會(huì)大大超過電動(dòng)機(jī)的額定電流，導(dǎo)致斷路器跳閘，嚴(yán)重時(shí)損壞電機(jī)。由于變頻器電壓輸出起始相位具有隨機(jī)性，要防止過電流的產(chǎn)生，就必須對(duì)切換時(shí)的相位進(jìn)行控制?？梢栽谙到y(tǒng)中引人鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)上述控制的要求。在切換時(shí)由鎖相環(huán)鎖定變頻器輸出電壓的相位和頻率，使變頻器輸出電源與工頻電網(wǎng)電源同頻同相，再切斷變頻電源，將水泵轉(zhuǎn)至工頻電網(wǎng)，這樣就可以有效地克服切換過程中的過電流現(xiàn)象∞。但是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度、設(shè)備成本也會(huì)因此增加。

(3)水泵并聯(lián)運(yùn)行的問題。水泵組中僅有一臺(tái)水泵為變頻運(yùn)行，理論上這樣可以有利于提高水泵組的整體效率，而實(shí)際上相當(dāng)于性能曲線不同的水泵并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)變速泵在較低轉(zhuǎn)速工作時(shí)，定速泵與變速泵并聯(lián)，相當(dāng)于小泵與大泵的并聯(lián)，有可能會(huì)使兩臺(tái)水泵都在低效區(qū)運(yùn)行，出現(xiàn)變頻泵作虛功的現(xiàn)象，即水泵消耗能量、有轉(zhuǎn)速但無(wú)流量。這無(wú)論對(duì)于變頻泵或工頻泵的運(yùn)行都是不利的，可能引起水泵電機(jī)的損壞。因此當(dāng)系統(tǒng)采用“一變多定”的調(diào)節(jié)方式時(shí)，更要嚴(yán)格控制變速泵的調(diào)速范圍。

1.2模式二：變頻器只控制一臺(tái)泵，其他泵只進(jìn)行工頻啟停切換

這樣控制線路更為簡(jiǎn)單，可以回避變頻器切換時(shí)鎖相的難題，但是依然不能避免水壓大幅波動(dòng)與并聯(lián)運(yùn)行所帶來(lái)的困難。目前一些水泵專用變頻器已經(jīng)具備了PID控制功能，通過一個(gè)AI口直接接收壓力變送器的模擬輸入信號(hào)，內(nèi)置PID環(huán)路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓的控制，這樣可以省去安裝PLC的成本，在一些水壓要求不嚴(yán)格的小型系統(tǒng)中。模式二的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

1.3模式三：多臺(tái)水泵同時(shí)由多個(gè)變頻器控制。即同步變頻

以同一控制信號(hào)改變所有并聯(lián)水泵的運(yùn)行頻率。各時(shí)刻各水泵運(yùn)行頻率相同，若運(yùn)行臺(tái)數(shù)不變，水泵組并聯(lián)運(yùn)行曲線可以完全并聯(lián)，其變化類似于某單獨(dú)水泵。這樣的變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在變頻泵與工頻泵切換的問題?？梢院芎玫亟鉀Q模式一、模式二中水壓大幅波動(dòng)及變頻泵作虛功等問題，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性得到進(jìn)一步的提升，但是由于對(duì)變頻器的數(shù)量要求較多，成本將會(huì)大幅提高。本模式主要適用于對(duì)系統(tǒng)可靠性要求較高，水壓控制要求嚴(yán)格的場(chǎng)所。

2結(jié)論

變頻器與水泵之間的配合應(yīng)根據(jù)業(yè)主要求，系統(tǒng)規(guī)模，投資預(yù)算和業(yè)主接受能力來(lái)選擇相應(yīng)的控制模式。根據(jù)不同的情況，可以在上述3種基本控制模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合優(yōu)化，如根據(jù)用水高峰和用水低峰制定出日間供水模式，夜間供水模式等。夜間供水模式可只開啟一臺(tái)工頻小泵，一般情況變頻泵不參與工作，達(dá)到延長(zhǎng)變頻器壽命的目的；日間供水模式可以在模式二的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，首先開啟數(shù)臺(tái)工頻泵滿足基本需要，在用水量變化較大時(shí)，再引入變頻泵；若用水量變化較大且對(duì)水壓控制要求嚴(yán)格，則可以采用模式二+模式三的方式進(jìn)行控制，即一部分工頻泵+一部分同步變頻泵的控制模式；若條件容許宜優(yōu)先采用模式三。