在供水系統(tǒng)中，用戶用水量往往是隨機(jī)變化的，而投運(yùn)水泵的臺數(shù)和水泵的轉(zhuǎn)速不隨用戶水量變化，負(fù)荷低峰時將引起電能的浪費(fèi)，管網(wǎng)壓力大時將損壞管網(wǎng)及其附屬設(shè)備，采用變頻調(diào)速、微電腦控制器及邏輯控制元件可以達(dá)到管網(wǎng)恒壓變量供水。下面以單臺泵控制為例說明。
1供水一用一備、變頻/工頻方式
當(dāng)一臺泵能夠滿足管網(wǎng)最大壓力時，可以采用一臺變頻器控制一臺泵方式工作。
1.1變頻器供水系統(tǒng)
壓力傳感器裝于用戶端管網(wǎng)上，用于檢測用戶端水壓。壓力設(shè)定值與所測管網(wǎng)壓力在調(diào)節(jié)器中進(jìn)行比較，其誤差信號作為變頻調(diào)速的速度給定。變頻調(diào)速器輸出頻率可變的電力給水泵電機(jī)，使水泵轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化。管網(wǎng)壓力保證了恒定。
1.2 水泵控制主回路
水泵控制主回路見圖二
1.2.1 變頻器的選擇
變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求來進(jìn)行，泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方比，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通常可以選擇普通功能型U/f變頻器。泵類一般運(yùn)轉(zhuǎn)方式為連續(xù)型，變頻器容量的計(jì)算式如下：
PCN≥KPM／ηCOSφ
PCN≥k√3 UMIM×10-3
ICN≥kIM
式中 PM——負(fù)載所要求的電動機(jī)的軸輸出功率KW，
η——泵用電動機(jī)的效率（通常約0.85）
COSφ——電動機(jī)的功率因數(shù)（通常約0.75）
UM——電動機(jī)電壓V
IM——電動機(jī)電流A，功頻電源時的電流
K——電流波形的修正系數(shù)（PWM方式時取1.05-1.0）
PCN——變頻器的額定容量KVA
ICN——變頻器的額定電流
變頻器的過載能力較小，允許過載時間亦很短，但泵類負(fù)載除起動外無瞬時過載問題，變頻器傳動時最大軸功率基本上等于電動機(jī)的額定功率。當(dāng)泵低速運(yùn)行時，散熱能力變差，但溫升不會有太大變化，對于最大軸輸出功率無影響。
對于交直交變頻器，功率因數(shù)取決于諧波而不是電容含量。變頻器設(shè)計(jì)時，如果電網(wǎng)對諧波污染要求比較嚴(yán)格，要求變頻器有很高的功率因數(shù)，則根據(jù)產(chǎn)品說明書要求校合電源側(cè)電感量，如不滿足則附加電抗器。
如果采用變頻器專用電動機(jī)，則可以根據(jù)查表選擇電動機(jī)（表由廠家給出），對于青海高原地形，變頻器容量還應(yīng)乘以約1.25系數(shù)，在變頻器位置安放上應(yīng)考慮環(huán)境溫度與濕度。
1.2.2 空氣開關(guān)，接觸器，熱繼電器、導(dǎo)線、外部直流電源選擇
空氣開關(guān)的額定電流應(yīng)大于電動機(jī)的額定電流，延時動作的過電流脫扣器的額定電流應(yīng)為電動機(jī)額定電流1.1至1.2倍。瞬時動作的過電流整定值應(yīng)按大于電動機(jī)起動電流的1.7至2.0倍考慮。
接觸器選擇應(yīng)考慮極數(shù)、額定工作電壓、額定工作電流、接通與分?jǐn)嗄芰Γ紤?yīng)符合電機(jī)要求，所帶附助觸頭應(yīng)滿足繼電邏輯控制要求。
熱繼電器額定電流應(yīng)為電動機(jī)額定電流的1.05至0.95倍，在長期過載20%時應(yīng)可靠動作，熱繼電器動作時間必須大于電動機(jī)起動或長期過載時間。
導(dǎo)線選擇應(yīng)根據(jù)載流量及鋪設(shè)方式定。一般根據(jù)青海氣候及廠內(nèi)土壤、地形及周圍管網(wǎng)情況，取系數(shù)0.85。
1.3 微電腦選擇
恒壓供水系統(tǒng)實(shí)際上是一個單閉環(huán)系統(tǒng)，微電腦控制器實(shí)際上是一個外置PID控制器，輸出信號4—20mA，給定信號4—20mA，反饋信號同上。利用變頻器內(nèi)部PID，可以省掉調(diào)節(jié)器，壓力傳感變送器信號直接輸入到變頻器內(nèi)。相應(yīng)接線端子見變頻器操作手冊。也可外置PID調(diào)節(jié)器，如川儀GTZ—2100。
1.4壓力傳感器
選用HS950型合金薄膜變送器，二線4～20mA輸出，測量范圍0.2至0.8Mpa，電源24V。
1.5直流電源選擇
選擇KW1-24，輸出24V，33A，或S-15-24，輸出24V。直流電源供給壓力傳感器、微電腦控制器。因?yàn)閴毫鞲衅髋c微電腦控制器的視在功率很小，也可以選用PLC的24V直流輸出端供電，
1.6給定信號的產(chǎn)生
給定信號采用電位器RX-5，外部電源24V，或者采用變頻器提供電源，以上都可輸出4～20mA控制電流。根據(jù)設(shè)定壓力產(chǎn)生的電流信號確定給定值。
2邏輯繼電設(shè)計(jì)
通過繼電器可以作到工頻、變頻轉(zhuǎn)換（KM0），一備一用（KM1—4），參見相關(guān)圖集。也可以選擇I/O點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)的PLC實(shí)現(xiàn)邏輯控制及信號指示與報(bào)警，PLC的梯形圖由相關(guān)圖集中所列邏輯關(guān)系移植過來，簡單方便。結(jié)合變頻器的相關(guān)繼電輸出口就能實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求。
系統(tǒng)起動后，若1#泵速度升至最大時用戶端管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到設(shè)定值，2#泵起動并全速運(yùn)行。若壓力超過設(shè)定值，變頻器調(diào)節(jié)1#泵速度使壓力恒定。若壓力升高到一定值，變頻器頻率已減小至最低，則可以讓2#泵退出。為了達(dá)到此目的，利用變頻器的繼電器輸出功能，當(dāng)頻率大于設(shè)定值時，繼電器輸出，接通繼電邏輯回路，控制第二個電動機(jī)起動，退出情況與此相反。例如使用SEMENS的MICROMASTER VECTOR操作手冊P41所列功能。
此外，三墾公司獨(dú)有的恒壓供水基板IWS備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。無須PID、PLC就可構(gòu)成最多7臺泵的高性能、又經(jīng)濟(jì)的供水系統(tǒng)。（SAMCO-IHF、IPF變頻器）。
3．變頻器參數(shù)設(shè)置及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置
3.1變頻器參數(shù)設(shè)置
變頻器參數(shù)設(shè)置如下：最大頻率50HZ，最小0HZ，基本頻率50HZ，額定電壓380V，總加速時間 15S，減速時間15S，電動機(jī)平滑起動，電子熱保護(hù) 1.05，轉(zhuǎn)矩限制1.5，瞬停再起動功能有，轉(zhuǎn)矩矢量控制無，其余功能遵照變頻器出廠設(shè)定。調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定如下：
由于被控對象模型復(fù)雜，管網(wǎng)恒定值要求不高，PI 參數(shù)確定時，可先不考慮管網(wǎng)的影響（管網(wǎng)波動，水流變化的滯后），忽略起動最初影響，忽略壓力測量變送器的滯后環(huán)節(jié)，因?yàn)樽冾l器與電動機(jī)的開環(huán)機(jī)械特性與直流機(jī)的開環(huán)特性非常接近，所以把變頻器與泵用電動機(jī)看做一個和直流電動機(jī)功率一樣的電動機(jī)，基于此可以方便確定KP 、TS，是一個二階系統(tǒng)，由此可定系統(tǒng)圖。
另外，TS ，KP的確定可以由實(shí)驗(yàn)取得，做變頻器電動機(jī)的階躍響應(yīng)曲線辯識過程數(shù)學(xué)模型，可以認(rèn)為是一個二階慣性環(huán)節(jié)，是一個自衡對象。就可以求得這兩個參數(shù),得出系統(tǒng)圖如下，可以初略算出K 、τ 。T1，T2為變頻器起動上升時間，KP為信號放大倍數(shù)。
系統(tǒng)原理圖如下：
原理圖中相關(guān)參數(shù)：α=0.01 mA/r/min（電動機(jī)為1500r/min） 。
當(dāng)PI參數(shù)計(jì)算取得后，在實(shí)際調(diào)試過程中，應(yīng)根據(jù)所帶負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，可先使泵空載運(yùn)行，改變給定值，如果系統(tǒng)穩(wěn)定，再使水泵帶載運(yùn)行調(diào)整，使系統(tǒng)穩(wěn)定并有一定的靈敏度。
4，變頻調(diào)速控制柜的設(shè)計(jì)
變頻調(diào)速柜一般柜面有電流電壓指示，電能計(jì)量，工況運(yùn)行指示，工況運(yùn)行控制按鈕。如果變頻器功率小,體積小，可以把變頻器與控制元件裝在一個柜內(nèi)，柜體體積為通用柜尺寸，根據(jù)控制柜所處環(huán)境，柜體的防護(hù)等級為IP54。
5，恒壓供水成套裝置
變頻調(diào)速供水成套供應(yīng)的公司現(xiàn)在也非常多，CPS系列（三墾公司），LBP系列（上海連成）等。定貨時只要給出要求即可。一般參數(shù)要求為：電動機(jī)功率，水泵臺數(shù)，控制特征，柜體特征，附加功能等。
6，變頻調(diào)速供水的節(jié)能分析
當(dāng)前給水工程中應(yīng)用的變頻調(diào)速裝置，根據(jù)控制方式不同，有恒壓變量與變壓變量之分。對于恒壓變量供水來說（圖1），從工作點(diǎn)從A變到工作點(diǎn)B，HA/HB=1,水泵軸功率按下式計(jì)算：
N=ρgQH/η
ρ——水的密度，Kg2/m3; g——重力加速度，m/s2；η——水泵效率。
N——水泵的軸功率，Q——管網(wǎng)流量， H——水泵揚(yáng)程。
由于A，B為非相似工況點(diǎn)，轉(zhuǎn)速的降低將導(dǎo)致水泵效率下降。對于恒壓變量供水來說，當(dāng)系統(tǒng)Q’=0.8Q時，
N‘=ρgQ‘H’/η‘=ρg0.8QH/η’＞0.8N
即當(dāng)水泵流量減小20%時，節(jié)能小于20%，這取決于水泵的效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
如果水系統(tǒng)是變壓變量供水，HA/HB= SQA2/SQB2= QA2/QB2，N∝Q3，則節(jié)約能量為51%左右。
變頻器的輸入功率因數(shù)比較高，根據(jù)電源側(cè)的電抗情況，加入交流電抗器或直流電抗器，可以使變頻器的功率因數(shù)達(dá)到0.92以上，與泵用電動機(jī)的功率因數(shù)0.85左右相比，節(jié)約電能也非常可觀。
7，結(jié)論
采用恒壓供水，水泵起動為軟起動，對電網(wǎng)影響小，可以減小變壓器的容量，可以減少機(jī)械傳動的設(shè)備損壞，節(jié)約電能。據(jù)相關(guān)資料，一般兩年節(jié)約的電能費(fèi)用就能收回設(shè)備投資。特別適合負(fù)載周期變化特別大的場合，例如生活小區(qū)，白天與深夜的需水量就特別大。對于短時制的工作也非常明顯。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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