恆壓供水變頻器

恆壓供水變頻器是指專業用於恆壓供水的水泵變頻控制器。恆壓供水變頻器可使供水系統運行平穩可靠，實現真正意義上的無人職守的全自動循環倒泵、變頻運行，保證各台水泵運行效率的最優和設備的穩定運轉啟動平穩，消除啟動大電流衝擊，降低泵的平均轉速，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應。一些專用的恆壓供水變頻器，還具備一定的防水、防塵能力。

基本介紹

• 中文名：恆壓供水變頻器
• 含義：用於恆壓供水的水泵變頻控制器
• 主要功能：維持水壓恆定等
• 套用模式：組合套用PLC

產品介紹

隨著變頻調速技術和可程式控制器的飛速發展，以及其套用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要裝置之一，在工業生產領域得到廣泛使用，在其它領域（如民用和家庭自動化）的套用也得到了迅速的發展。

恆壓供水變頻器實物圖

由於變頻調速技術和可程式程式控制器的套用靈活方便，在恆壓供水系統中亦得到廣泛的套用。採用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結合，根據系統狀態可快速調整供水系統的工作壓力，達到恆壓供水的目的，提高了系統的工作穩定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節能效果。

主要功能

1、維持水壓恆定；

2、控制系統可手動/自動運行；

3、多台泵自動切換運行；

4、系統睡眠與喚醒，當外界停止用水時，系統處於睡眠狀態，直至有用水需求時自動喚醒；

5、線上調整PID參數；

6、泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等。

使用方式

通常在同一路供水系統中，設定多台常用泵，供水量大時多台泵全開，供水量小時開一台或兩台。在採用變頻調速進行恆壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一台變頻器；其二是每台水泵配用一台變頻器。後種方法根據壓力反饋信號，通過PID運算自動調整變頻器輸出頻率，改變電動機轉速，最終達到管網恆壓的目的，就一個閉環迴路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比後種差，但控制程式較複雜，是未來的發展方向。

恆壓供水變頻器內部結構圖

一般的供水系統，由於供水量及可靠性的要求，都採用多台泵並聯運行的方式。這樣也有利於當供水量在大範圍內變化時，通過水泵的台數調節實現經濟運行，但是僅用台數調節，不能保證恆壓供水，且其運行效率也不高。水泵採用轉速調節流量，運行的經濟性最好。但對於容量較大的供水系統，若採用全容量轉速調節，投資太大，也無必要。所以對於多台水泵的供水系統，用一台調速泵即可實現全容量範圍的恆壓供水，其它的泵只要定速運行。即用台數調節和轉速調節共同保證供水量變化範圍內的恆壓供水。

系統中的調速泵一般用變頻器拖動。變頻器除了通過調節水泵轉速實現恆壓供水外，也可通過切換控制用作其它泵的軟起動設備。

套用模式

在工業現場控制領域，可程式控制器（PLC）一直起著重要的作用。隨著國家在供水行業的投資力度加大，水廠運行自動化水平不斷提高，PLC在供水行業套用逐步增多。觸控螢幕與PLC配套使用，使得PLC的套用更加靈活，同時可以設定參數、顯示數據、以動畫等形勢描繪自動化過程，使得PLC的套用可視化。

變頻恆壓供水成為供水行業的一個主流，是保證供水管網在恆壓狀態的重要手段。現代變頻器完善的網路通信功能，為電機的同步運行，遠距離集中控制和線上監控等提供了必要的支持。通過與PLC連線的觸控螢幕，可以使控制更加形象、直觀，操作更加簡單、方便。

組合套用PLC、觸控螢幕及變頻器，採用通信方式對變頻器進行控制來實現變頻恆壓供水。

構成

變頻器(除特殊套用和中壓變頻外)幾乎都是交一直一交變頻。其中整流側有兩種：一種是三相橋式矽整流、一種是三相半控橋式整流。隨著直流側“三電平技術”的出現，這種技術就要求整流側必須採用三相半控橋式整流。直流部分通常有一個大的濾波電容，使直流側電壓儘量平穩。直流側通常會帶有制動元件，這是當電動機運行在超同步狀態下時能量回饋至直流側，引起直流電壓升高，當直流側電壓超過一定值時，制動元件將吸收多餘的能量，使直流側電壓趨於穩定，從而保護功率元件。幾乎所有的變頻器廠家在逆變側均採用IGBT元件。從變頻器的工作原理可以看出，逆變出來的電壓與電流波形都不是標準的正弦渡，而是存在大量的奇次諧波，為了減少奇次諧波對電動機的影響，所以在變頻器與電動機之間通常有濾波器，如：電抗器、LC濾波器。由於電網通常受大功率元件的起制動的干擾，其波形往往不規則，為了減少電網對變頻器的影響，通常在變頻器的輸入側也有濾波器。

變頻器的控制方式大體有以下幾種方式：v/f標量控制方式、磁通矢量控制方式、DTC直接力矩控制方式。對於水泵來說，一般採用磁通矢量控制方式。下面分析變頻器的磁通矢量控制方式原理：

交流電動機有三個繞組，三個繞組在空間上的固定方式使電動機具有一定的極數，在這三相繞組中通過互差120°電角度的交流電，在電動機定子中形成一個旋轉的磁場，電動機的轉子將以一定的轉差與旋轉磁場同向旋轉。磁通矢量控制方式是以產生相同的旋轉磁場為目的，將其控制方式模擬成直流電動機，將通過交流電動機的電流合成兩部分(3/2合成)，模擬成直流電動機的勵磁和電樞進行控制，然後分解(2/3分解)成三相，控制交流電動機。這種控制方式的顯著特點是在低頻時具有較高的輸出轉矩。

變頻器的控制迴路與直流調速有一定的相似之處，也有速度環、電流環、力矩環。每個環節均採用PID調節器，這樣既可以提高回響速度，實現無進差，同時還可以減少滯後。與直流調速不同的是，它的所有信號均為矢量。對於大多數的變頻器均自帶有PI調節功能，這時，相當於在控制迴路的給定部分增加了一個PI調節器。但是，在做恆壓供水時，儘量不要用變頻器本身的PI調節器，因為變頻器本身所產生的電磁干擾就很大，若使用變頻器本身的Pl調節器，這時給定信號和反饋信號都必須接到變頻器上，而大多數變頻器一般只有一個4—20mA的模擬輸入口，若使用0～10V信號作為給定，則變頻器本身所帶來的干擾就會使變頻器無法穩定運行。若變頻器本身帶有兩個4—20mA的模擬輸入口，則可以利用變頻器本身的PI調節器。

工業乙太網和現場匯流排得到了廣泛的套用。所以.最好的消除變頻器干擾給裝置帶來影響的辦法是採用現場匯流排控制方式。也就是說在PLC和變頻器上分別配置通信卡，如Profibus、Modhus、MB+、DeviceNet.使用這種方式可以將PI調節做在PLC中，而壓力感測器的反饋信號接到變頻器上，這樣可以減少PLC的模擬輸入模組。而且裝置運行也會相當穩定。

控制原理

1、調速原理

交流電機轉速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉速，f為交流電頻率，s 為轉差率，p為極對數。

電機選定之後s 、p則為定值，電機轉速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實現對電機變頻無級調速。

2、根據離心泵的負載工作原理可知：

流量與轉速成正比：Q∝N

轉矩與轉速的平方成正比：T∝N2

功率與轉速的三次方成正比：P∝N3

而且變頻調速自身的能量損耗極低，在各種轉速下變頻器輸入功率幾乎等於電機軸功率，由此可知在使用變頻調速技術供水時，系統中流量變化與功率的關係：

P變=N3P額=Q3P額

採用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時，系統中流量變化與功率的關係：P閥=（0.4+0.6Q）P額

其中，P為功率

N為轉速

Q為流量

例如設定當前流量為水泵額定流量的60%，則採用變頻調速時P變=Q3P額=0.216P額，而採用閥門控制時P閥=（0.4+0.6Q）P額=0.76P額，節電=（P閥-P變）/P閥*100%=71.6%。

由此可見從理論計算結果可以看到節能效果非常顯著，而且在實際運行中小區變頻恆壓供水技術比傳統的加壓供水系統還有自動控制恆壓、無污染等明顯優勢。

流量%	100%	90%	80%	70%	60%	50%
節電率%	0%	22.5%	41.8%	61.5%	71.6%	82.1%

而且新型的小區變頻恆壓供水系統能自動地控制一至多台主泵和一台休眠泵的運行。在管網用水量減少到單台主泵流量的約1/6-1/8時，系統自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，保證系統小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節能。

根據反饋原理：要想維持一個物理量不變或基本不變，就應該引這個物理量與恆值比較，形成閉環系統。我們要想保持水壓的恆定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環系統。但被控制的系統特點是非線性、大慣性的系統，在控制和PID相結合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快回響速度；在壓力範圍較小時採用PID來保持靜態精度。這通過PLC加智慧型儀表可時現該算法，同時對PLC的編程來時現泵的工頻與變頻之間的切換。實踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價也不高。

要想維持供水網的壓力不變，根據反饋定理在管網系統的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由於供水系統管道長、管徑大，管網的充壓都較慢，故系統是一個大滯後系統，不易直接採用PID調節器進行控制，而採用PLC參與控制的方式來實現對控制系統調節作用。

特點

1、 節電：變頻恆壓供水系統的最顯著優點就是節約電能，節能量通常在10-40%。從單台水泵的節能來看，流量越小，節能量越大。最佳化的節能控制軟體，使水泵實現最大限度地節能運行；

2、 衛生節水：根據實際用水情況設定管網壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現象；系統實行閉環供水後，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。

3、 運行可靠：變頻恆壓供水系統實現了系統供水壓力穩定而流量可在大範圍內連續變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況由變頻器實現泵的軟起動，使水泵實現由工頻到變頻的無衝擊切換，防止管網衝擊、避免管網壓力超限，管道破裂。

4、 控制靈活：分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。

5、 自我保護功能完善：新型的小區變頻恆壓供水系統具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護等