变频调速在恒压供水系统中的应用

时间：2024-08-31

屈文斌

(陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000)

0 引言

供水系统是国民生产生活中必不可少的重要环节，工厂为了稳定生产，提高产品质量，要求在一些生产过程中，坚决避免缺水或供水压力不足事件的发生，由于供水压力不足，可能会影响产品的产量或质量，且会导致部分设备不能正常工作，严重时甚至会造成设备损坏；居民的生活用水同样受到供水压力的影响，如在早上或晚上用水的高峰期，住在高层的居民由于水压不足，在用水高峰期没水，严重影响人们的生活，在高峰期过后住在低层的居民又由于压力过大，容易产生爆管现象。以上这些情况对供水系统提出了新的要求，供水系统应依据不同时段对水量的不同需求，给水压力相应的发生变化，用水高峰期提高水压，用水少时水压降低，合理调节供水压力，提高供水质量。

1 恒压供水的优点

1.1 提高供水质量

考虑到用水量是经常变化的，导致供水过剩或供水不足的情况时常发生，通过变频器控制供水压力的大小，精确有效的控制用水流量，保证供水和用水之间的平衡，即用水量大时供水量大，用水量小时供水量也少，从而提高供水质量。

1.2 节约能源

通过变频调速实现恒压供水与用阀门调节控制水泵出口压力的方式实现恒压供水相比，降低了管道的阻力及截流损失的能效；另一方面由于通过用水量的大小决定供水压力，供水压力大小又决定了变频器控制电机的转速，这样系统在运行过程中能够节约可观的电能，产生明显的经济效益。

1.3 起动平稳

水泵电动机采用软启动方式，起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了电动机启动时电流对电网的冲击及电网电压造成波动的影响，同时设定了加速时的加速时间，避免了由于电动机突然加速而引起水泵系统的喘振，对于较大的电动机还可省去降压起动装置。

1.4 消除水锤效应

所谓水锤效应是由于电动机在全压下起动时，在短时内管道里的流量迅速从零增大到额定值，液体流量急剧变化在管道内产生冲击力，冲击管壁产生巨大噪声，如同锤子敲击管子。引入变频调速后，可以依照要求，设定升、降速时间，将管道系统内的流量变化率减小到允许范围，从而达到彻底消除水锤效应的目的。

2 变频调速在恒压供水中的应用

2.1 变频恒压供水系统构成

恒压供水的目的是保证无论用户用水量大小，在管网中总保持水压基本恒定，这样既能满足用户对水的需求，又不会使电动机空转而浪费电能。将变频器引入恒压供水系统，水泵转速由变频器依据给定压力信号和反馈压力信号来调节，最终使管网中水压恒定。变频恒压供水系统主要由智能调节器、变频器、水泵机组及压力传感器构成，变频恒压供水系统构成示意图如图1所示。[1]

2.2 变频调速原理

由电动机学可知，异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

f——定子频率（即电源频率ZH ）

p——磁极对数

异步电动机的转速为

式中 s——转差率

从式（2）可知，要调节异步电动机的转速应从s、p、f三个分量入手，改变这三个量中的任何一个量，就可以改变异步电动机的转速n，但是s和p在调速领域内的应用范围较小，而通过改变 f的大小，来调节转速n具有高效率、宽范围、高精度的性能，可以认为，变频调速是异步电动机的一种非常合理和理想的调速方法[2]。

3 变频恒压供水设计

实现恒压供水，通过在供水系统中引入变频调速，系统可根据实际设定水压通过变频器自动调节水泵电机的转速及加减泵，在供水系统将管网中的压力保持到给定值，以达到最大限度的节水、节能，而且整个系统安全可靠。本设计采用在用水量逐渐减少时，先关闭变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节[3]。

3.1 恒压供水主电路设计

本设计采用一台变频器控制两台电动机，当用水量大时，两台泵同时运行，一台工作在工频，一台工作在变频，当用水量小时，只需一台电机工作，这样既节省了设备投资又达到了恒压供水的目的。具体控制过程为：用水不多时，恒压供水控制是通过变频器控制电动机M1，随着用水高峰期的到来用水量的增加，M1的工作频率也跟着增大，如果在M1已经升到最大频率50Hz时，供水压力还没有满足要求，将M1切换到工频电源供电，与此同时将变频器用来控制电动机M2，通过M2补充供水。当用水高峰期过后，用水量逐渐降低，尽管已将电动机M2的频率降到0Hz，但供水压力还是偏大时，则采取关掉工频电源供电的M1，同时快速升高电动机M2的频率，进行恒压控制，恒压供水系统主电路图如图2所示。

3.2 压力控制切换区设置

为了避免用水量恰巧在一台泵在工频50Hz上下波动时运行，出现供水系统频繁切换的状态，容易将变频器控制元件及电动机损坏，降低设备使用寿命事件的发生，需要设置压力控制的“切换死区”。如所需压力为0.2MPa，就可以将切换死区设制为0.2～0.25MPa。控制过程为：当M1的工作频率在工频时，如果压力小于0.2MPa，就进行切换，使M1全速运行，M2进行补充。如果用水量减小，M2已完全停止，但压力还是超过0.2MPa时，暂不切换，直到压力超过0.25MPa时再切换[4]。