随着变频调速技术的发展, 变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统, 广泛应用于各个领域。然而, 由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备 (如水泵) , 在对原有供水系统进行变频改造的实践中, 往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统, 是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中, 解决了旧设备需要频繁检修和供水压力不稳定的问题, 既体现了变频控制恒压供水的技术优势, 同时有效的节省了资金。
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在生产过程中, 若自来水供水因故压力不足或短时断水, 可能影响产品质量, 严重时使产品报废和设备损坏。可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以用恒压供水系统, 具有较大的经济和社会意义。以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备, 起动平稳, 起动电流可限制在额定电流以内, 从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了, 从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命。
通常在同一路供水系统中, 设置多台常用泵, 供水量大时多台泵全开, 供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时, 就用两种方式:其一是所有水泵配用一台变频器;其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号, 通过PID运算自动调整变频器输出频率, 改变电动机转速, 最终达到管网恒压的目的, 就一个闭环回路, 较简单, 但成本高。前种方法成本低, 性能不比后种差, 但控制程序较复杂, 是未来的发展方向。
水泵电机多采用三相异步电动机, 而其转速公式为:
式中:f表示电源频率, p表示电动机极对数, s表示转差率。
从上式可知, 三相异步电动机的调速方法有: (1) 改变电源频率; (2) 改变电机极对数; (3) 改变转差率。
根据公式可知, 当转差率变化不大时, 异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率, 就可以平滑地改变电动机的转速。但是, 单一地调节电源频率, 将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展, 已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置, 它们促进了变频调速的广泛应用。
低压通用变频输出电压为380V~650V, 输出功率为0.75kW~400kW, 工作频率为0~400Hz, 它的主电路都采用交—直—交电路。VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低, 谐波电流大, 直流电路需要大的储能电容, 再生能量又不能反馈回电网, 即不能进行四象限运行。为此, 矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l, 输入电流为正弦且能四象限运行, 系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟, 但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量, 而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器 (plc) 与变频调速装置构成控制系统, 进行优化控制泵组的调速运行, 并自动调整泵组的运行台数, 完成供水压力的闭环控制, 即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量, 自动补偿用水量的变化, 以保证供水管网的压力保持在设定值, 既可以满足生产供水要求, 还可节约电能, 使系统处于可靠工作状态, 实现恒压供水。
其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源, 实现电机的无级调速, 从而使管网水压连续变化, 同时变频器还可作为电机软启动装置, 限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。PLC控制单元则是泵组管理的执行设备, 同时PLC控制单元可以根据用水量的实际变化, 自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和PLC的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。
变频恒压供水系统控制流程如下。
(1) 系统通电, 按照接收到有效的自控系统启动信号后, 首先启动变频器拖动变频泵M1工作, 根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率, 控制M1的转速, 当输出压力达到设定值, 其供水量与用水量相平衡时, 转速才稳定到某一定值, 这期间Ml工作在调速运行状态。
(2) 当用水量增加水压减小时, 压力变送器反馈的水压信号减小, 偏差变大, PLC的输出信号变大, 变频器的输出频率变大, 所以水泵的转速增大, 供水量增大, 最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之, 当用水量减少水压增加时, 通过压力闭环, 减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
(3) 当用水量继续增加, 变频器的输出频率达到上限频率50Hz时, 若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力, 并且满足增加水泵的条件 (在下节有详细阐述) 时, 在变频循环式的控制方式下, 系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2 (变速运行) , 同时变频泵M1做工频运行, 系统恢复对水压的闭环调节, 直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加, 满足增加水泵的条件, 将继续发生如上转换, 将另一台工频泵M3投入运行, 变频器输出频率达到上限频率50Hz时, 压力仍未达到设定值时, 控制系统就会发出水压超限报警。
(4) 当用水量下降水压升高, 变频器的输出频率降至下限频率, 用户管网的实际水压仍高于设定压力值, 并且满足减少水泵的条件时, 系统将工频泵M2关掉, 恢复对水压的闭环调节, 使压力重新达到设定值。当用水量继续下降, 并且满足减少水泵的条件时, 将继续发生如上转换, 将另一台工频泵M3关掉。
(1) 由PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用PLC实现对多泵切换的控制。通过变频器实现对三相水泵电机的软启动, 由电动机的变频调速实现对水压的调节。
(2) 通过对控制过程和原理的分析, 利用西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计了一个用于恒压供水系统的程序, 本程序包括顺序控制主程序, 初始化子程序和中断子程序三部分。
(3) 对上位机组态监控系统进行了设计。根据泵站监控要求, 利用组态王软件完成了泵站组态监控画面的各个功能的设计, 系统界面清楚明了, 易于操作, 能动态地显示当前运行情况、当前水压以及故障情况。
摘要：恒压供水控制系统是采用电动机调速装置与可编程控制器 (PLC) 构成控制系统, 根据泵出水压力来进行优化控制泵组的调速运行, 并自动调整泵组的运行台数, 完成供水压力的闭环控制, 在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
关键词：变频器,恒压供水系统,PLC
[1] 李建兴.可编程序控制其应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[2] 陈霞.可编程控制器入门与系统设计[M].北京:中国电力出版社, 2008:26～4 3.
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