变频恒压供水系统设计及变频器选型

1、变频恒压供水系统设计及变频器选型该系统主要有压力变送器、变频器、PLC、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用PLC使变频器循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。本文主要提出一种基于PLC与变频调速的恒压供水系统的设计方案，并对此进行详细的说明与研究。方案选取：根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，选择下述方案：变频器+PLC+人机界面+压力传感器。这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控

2、制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。一、 变频恒压供水的目的对供水系统进行的控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求。所以,流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体的测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由供水流量QG表示）和用水需求（由用水流量QU表示）之间的平衡情况有关：如供水能力QG

3、用水需求QU，则压力上升（P）；如供水能力QG 用水需求QU，则压力下降（P）；如供水能力QG 用水需求QU，则压力不变（P = const）；可见，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。二、 供水系统分析1.水泵特性分析离心泵特性曲线的公式为P=K1QH （1）转速与泵机流量、扬程之间的关系如下：Q=K2n （2）H=K3n2 （3）由式（1）、式（2）、式（3）得P=K4n3 （4）P/Q=K5n2 （5）式中，K1、K2、K3、K4、

4、K5为常数；P为泵机轴功率；Q为泵机流量；H为泵机扬程；n为泵机转速。式（4）说明泵机轴功率与转速的立方成正比，若设法降低转速，就可以减小泵机轴功率。式（5）说明单位时间内，排放每立方米水能耗与转速立方成正比，这说明在达到实际供水流量前提下，转速越小，功耗就越小。2.电动机特性分析从公式（1）、公式（2）、公式（3）可以得出水泵如下关系：Q1/Q2=n1/n2（6）H1/H2=（n1/n2）2（7）P1/P2=(n1/n23（8）式中，Q1、H1、n1分别为转速为n1时的流量、扬程、功率；Q2、H2、n2分别为转速为n2时的流量、扬程、功率。由此看出，水泵的流量、扬程、功率均与转速成正比，改变

5、水泵转速即可达到改变水泵工作参数的目的。而带动水泵的交流异步电动机转速为n=60f（1s）/p （9）式中，f为电源频率；p为磁极对数；s为转差率。由式（9）可以看出，通过改变电源频率f、改变磁极对数p或转差率s可以实现交流电动机的调速。当前变频电源频率多根据供水系统压力数值的大小变化，通过感应传感器把压力数据送到变频器，形成一个闭环控制回路，实现调节电源频率功能，即动态地改变电动机转速，从而达到调节水泵转速，调节流量的目的。一般情况下，供水系统水压力设定为恒值，该值即为管网压力系统中最大值，为维持这一恒压，水泵通过变频电源频率变化改变转速来保持这一压力。供水系统中用户使用流量越大，其系统中压

6、力下降越大，电源频率则要求越高，导致水泵转速越大，其出水流量也越大，反之，出水流量则越小。三、 变频恒压供水系统的构成与工作过程1. 变频恒压供水系统框图如下：由图可知，变频器有两个控制信号：（1）目标信号XT。即给定端VRF上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号由键盘直接给定，通过PLC给定到VRF上。（2）反馈信号XF。是压力变送器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。2. 系统的工作过程现在的变频器一般都具有PID调节功能，其内部框图如图中虚线框所示。XT和XF两者是相减的，其合成信号XD=（XT-XF）经过PID调节处理后得到频率

7、给定信号，决定变频器的输出频率X。当用水流量减小时，供水能力QG大于用水流量QU，则压力上升，XF则合成信号（XT-XF）则变频器输入频率fx则电动机转速nX则供水能力QG直至压力大小回复到目标值、供水能力与用水流量重又平衡（QG=QU）时为止；反之，当用水流量增加，使QGQU时，则XF则（XT-XF）则X则nX则QG则QG=GU，又达到新的平衡。3. 变频与工频切换过程的详细分析在多泵供水系统中，常常采用有一台变频器控制多台水泵的方案。通常称为“一拖X”，本系统为一台变频器控制三台水泵，而且只对其中一台泵进行变频调速，其余泵则恒速运行，这种方法会降低一些效率，但能够提供全流量范围的调节，投资

8、最省，也是很常见的方式。只对一台泵调速的多泵恒压供水系统，有两种不同的实现方式，即将调速泵和恒速泵固定设置的定变两泵恒压供水方案，以及各泵轮换调速的循环软启动恒压供水方案，两者特点不尽相同，本设计采用后者，其有一下几个优点：一个是循环运行方式有利于各水泵的机械磨损均匀，使用寿命彼此相当；另一个是利用了变频器实现了水泵的软起动，在水泵功率较大时对降低电网冲击有利；再一个是其节约成本，投资少。但循环软启动方式的主要缺点是切换控制复杂，切换顺序不能出错，否则变频器很可能会受到损坏。因此，必须严格要求其切换的动作顺序。切换的动作顺序依次为：变频器自由停车延时断开1KM2，使电动机脱离变频器经适当延时后

9、合上1KM3，将电动机接至工频电源接通二号泵变频回路接触器2KM2延时接通变频器运行指令。这里，第一个延时的目的是躲过电动机剩磁时间，以保证接触器断开时已经没有负载电流，大约需要0.3至0.6s；由于在变频器的输出端是不允许与电源相接的，因此，接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通，相互间必须有非常可靠的互锁。所以KM2断开到KM3闭合之间的延迟时间是必须的，通常称为“切换时间”（此时间非常重要，将在下文阐述）；第三个延时的目的是保证二号泵已经可靠连接在变频回路上在启动变频器，这个延时不是必须的，但对延长接触器使用寿命有好处，大约需要0.2至0.4s。当KM3闭合，电动机接至工频电源时，应避免

10、产生过大的冲击电流，干扰电网。切换时刻对电流的影响：显而易见，如果在KM3闭合的瞬间，电源电压恰好与定子绕组的电动势相同，则切换时将没有电流冲击；反之，如果在KM3闭合的瞬间，电源电压恰好与定子绕组的电动势反相，则切换时必将形成很大的冲击电流。因此，只有在定子电动势与电源电压同相的瞬间，才是切换的最佳时刻。所以，切换控制的关键是如何“捕捉”到定子电动势与电源电压的同相点。这里用来“捕捉”同相点的方法称为差频同相。差频同相的基本出发点是：当变频器的输出频率与电源频率存在差异时，两者的同相点之间将不断地作相对移动。这个特点，十分有利于“捕捉”到同相点。因此，差频同相的方法可使捕捉同相点的工作更加简

11、单可靠。实现差频同相的装置称为自动转换监控器。差频同相的实施：（1）设置“频段陷阱”。变频器的频率差越小，同相点之间作相对移动的虚度越慢，“捕捉”相同点将越困难。为此，自动转换监控器设置了一个频段“陷阱”（50）Hz。就是说，在自动转化监控器要求切换时，变频器的输出频率与电源频率之间应该有一个频率差。这可以通过预置变频器的上限频率来实现。例如，变频器的上限频率预置为49.6Hz，则=0.4Hz。这个要求和供水系统的工作并不矛盾。事实上，从节能的观点出发，变频供水时，工作在50Hz是并不可取的。因为，同样运行在50Hz下，变频运行比工频运行时的功耗要大一些。所以，把变频器的上限频率预置为49.5

12、Hz，或稍高一些是较好的选择。（2）切换的工作过程。当供水系统中的变频器的运行频率达到上限频率，并且经过确认时间，确认需要切换时，供水系统将向自动转换监控器发出切换指令。自动转换监控器在得到指令后立即开始“捕捉”同相点。当捕捉到同相点时，便断开KM2，并在延时100ms后，接通KM3，切换工作即告完成。关于切换时间100ms：（1）转速方面。经计算，当KM2切断后100ms的瞬间，电动机的转速在额定转速的86.7%以上，满足切换转速不低于额定转速80%的要求。（2）相位方面。一方面100ms是电源电压的5个整周期。另一方面，经计算，定子绕组的5个整周期总时间为104.3ms。就是说电源电压与定

13、子电动势之间，在5个周期内的时间差为4.3ms。所以，为了减小相位差，在“捕捉”到同相点之后，可适当增加一个提前量。则在切换瞬间（KM3闭合的瞬间），将十分接近于同相点，从而最大限度的减少电流冲击。4. 水泵变频与工频工作过程详细分析。供水状态及其转换。供水状态是指供水时按照用水量的大小设定投入运行的水泵台数及运行状况。根据城区用水量大小可分为很小、小、中和大四种情况。启动自动变频运行方式时，首先起动4号泵工频运行供水，当用水量大，超过4号泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟时间确认，若两分钟后供水能力仍然无法维持管道内水压则PLC通过变频器启动1号水泵供水，同时关闭4号泵的运行。

14、在1号水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整1号水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时1分钟确认，确认完后由PLC给出控制信号，将1号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2号主水泵软启动。系统工作于1号工频、2号变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，延时1分钟，由PLC给出控制信号，将2号水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对3号水泵软启动变频运行，若水量仍达不到设定压力，1分钟后，将3号水泵与变频器断开，转为工频运行。直到满足水压要求。整个加泵过

15、程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。并在用水量极少的时刻，如夜间，设置变频器睡眠功能，当母管压力高于预置值时，计时器开始计时，在计时期间内，若压力值重新低于预置值，变频器继续正常工作。若计时器到时，压力值仍高于预置值则变频器和1、2、3号泵自动停机，切换到4号泵工频运行，维持少量用水的水压。当供水压力低于预置的压力下限时暂停睡眠，唤醒变频器，进入正常的恒压供水状态。四、 变频器的选型及功能预置（一） 变频器的选型与控制方式1. 变频器的选型：大部分

16、制造厂都专门生产了“风机、水泵专用型”的变频器系列。这里，根据前期调研，直接选用欧姆龙3G3RV-ZV1系列的变频器。2. 控制方式与U/设定以选用V/F控制方式为宜。大部分变频器都给出两条“负补偿”的U/。对于水泵来说，宜选用负补偿程度较轻的U/线。（二） 变频器的功能预设1. 最高频率水泵属于二次方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。例如，当转速超过额定转速10%时，转矩将超过额定转矩21%。导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即max = N = 50Hz2. 上限频率一般来说，上线频率也以等于额定频率为宜。但有时也可预置的略低一些，原因有以下两个：（1）由于变频器内部往往具有转差补偿功能，因此，同是在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速高于工频运行的转速，从而增大了水泵和电机的负载。（2）也有人认为：变频调速系统在50Hz下运行，还不如直接在工频下运行为好，可以减少变频器本身的损失。所以，将上限频率预置为49.5Hz是适宜的。3. 下限频率在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于基