变频器在恒压供水系统中的应用研究

王新强，黄 杰，孙 皓，张亚峰

（1．中原工学院，郑州450007；2．荣成电业局，山东 威海264300；3．中国国家知识产权局，北京100088）

变频器在恒压供水系统中的应用研究

王新强1，黄 杰1，孙 皓2，张亚峰3

（1．中原工学院，郑州450007；2．荣成电业局，山东 威海264300；3．中国国家知识产权局，北京100088）

提出了一种恒压供水系统设计方案，从节能角度介绍了变频器与PLC在该恒压供水系统中的控制方式以及参数设置．系统运行结果表明，该系统不仅节能、控制可靠，而且使用方便．

变频器；PLC；恒压供水；节能

目前，常用的生活给水设备可分为非匹配式与匹配式两种．非匹配式给水设备的特点是系统的用水量一般要小于水泵的供水量，需要放置专门的蓄水设备，如水塔、高位水箱等，以便将多余的水或全部的水暂时蓄存起来．当存水达到蓄水设备上限时，蓄水设备向用水系统供水，水泵停止工作；当存水被用到蓄水器的水位下限时，水泵开始工作，向蓄水设备供水．匹配式供水设备的特点是水泵的供水量随着用水量的变化而变化，不存在多余的水量，不用设置专门的蓄水设备，其水泵的供水速度可以调节．

近几年来，由于电子技术、计算机控制技术的迅速发展以及人们节能意识的日益增强，变频调速装置的应用越来越广泛，并且开始在工业与民用供水系统中应用．由于变频器的使用，供水系统可根据用水量的变化，随时调整电机的供电频率，实现水泵转速的自动控制，以保证供水量随用水量的变化而变化，从而维持供水系统的压力稳定；省去了水塔和气压罐，既节能又节省面积［1］．

本供水系统采用了变频主泵＋变频辅泵的设计方案．此方案与其他方案相比，适用于用水量不大、供水可靠性要求不太高的场所，尤其适用于自备水井的企事业单位；可利用原有水泵及管网，使整个系统稳定可靠地运行，工程量小，见效快，而且节能．并且两台泵既可由变频器供电，也可由配电系统直接供电，实现全速运行．通过使用变频器自带的PID调节器及可编程控制器控制，整个系统的水压保持在一定范围内［2］．

1 系统设计原理

1．1 供水系统的主电路原理

本系统主电路利用两个小功率水泵作为供水泵，同时为了节约水资源，在排水池中利用两个排水泵将供出的水再排回供水箱，使整个水系统形成一个回路．并利用变频器、可编程控制器进行恒压供水控制．本系统的双泵恒压供水主电路图如图1所示．

1．2 变频调速控制原理

本系统主要利用变频器所具有的PID控制、可编程控制器、水压传感器，组成单闭环PID控制，使水压稳定，同时保持变频泵在整个过程持续运行．这里需要说明的是，由于实验中所使用泵的功率较小（扬程15 m，流量4 m3／h，功率0．55 k W），因此水压稳定在0．1 MPa．同时利用变频器的24 V直流电源作为水压传感器的驱动电源，传感器的反馈信号为4～24 m A直流电流．图2所示是在压力罐稳定加压下所得出的水压与传感器反馈信号电流的关系曲线图．由图2可以看出，水压与反馈电流呈线性等比例关系．

1．3 闭环控制接线流程

首先将变频器的数字地与模拟地相连，即变频器

的24G端与AIC端相连，将24 V输出点接水压传感器的正极，再将负极接入变频器的AV2端口（PID回授端子），组成闭环控制．此时应注意的是将变频器的参数P＿163选择为0，即电压输入有效［3］．变频器主要参数设置如表1所示．

表1 变频器参数设置表

接着利用变频器的多机能输出端子RIA、RIC（常开）接入PLC的I1输入，R2A、R2B（常开）接入PLC的I2输入，同时将PLC的Q1、Q2、Q3、Q4输出端分别接入两个泵的控制回路中，进行双泵的启停控制［4］．控制系统接线图如图3所示．

图3 控制系统接线图

1．4 PLC主程序流程

变频柜控制程序采用模块化设计，控制流程如图4所示．当系统用水量增大时，变频泵频率升高；当频率高于工频50 Hz时，变频器发出高频信号给PLC，PLC延时2 min，给出的信号使工频泵运转；当用水量慢慢减小，频率低于变频器下限频率时，变频器发出低频信号给PLC，PLC延时3 min，给出的信号使工频泵停止运转［5］．

图4 供水装置控制流程

2 问题讨论

在整个设计过程中，也出现了不少的困难和问题，这里将比较重要的一些问题给予总结．

（1）变频器的运行控制模式．最初设为V／F速度模式．经过实验，发现闭环控制很不稳定，而整个系统所要实现的是水压恒定，因此这种控制模式不适合本系统，最终变频器的控制模式改为向量模式，即P＿2＝1、P＿4＝1（具体变频器参数设定见表1）．通过实践证明，控制模式修改后，整个系统运行效果良好．

（2）水压传感器的24 V电源驱动．当直接利用了一个外接24 V直流稳压电源时，发现这样既增加了系统的投资，同时闭环的接点增多，增大了误差与错误率．而后将变频器的的数字地与模拟地相连，即变频器的24G端与AIC端相连，然后直接将变频器的24 V电源作为水压传感器的电源驱动，调试结果表明，系统误差明显减小．

（3）水压传感器的位置选取．当选取1＃水压传感器时，发现由于管道水阻与水压差高的问题，造成反馈信号电流非常低，比正常情况下要低4～6 m A，根本无法形成闭环控制．当选取2＃水压传感器时，打开变频水泵，会发现反馈电流时高时低，几秒钟后，随着频率上升到25 Hz，电流才逐渐变稳，但频率达到工频50 Hz时，反馈电流仍然比正常情况下偏低2～3 m A．经查阅水泵的频率运转曲线发现，由于2＃水压传感器太靠近水泵，因此在低频时水压不稳定，致使反馈电流时高时低；在频率达到工频时，靠近变频泵的水压仍然不稳．为了解决这个问题，我们重新将2＃水压传感器移至新的位置．实验结果表明，效果明显好转，反馈电流随水压呈线性变化．

3 结 语

本文所设计的供水系统采用的变频供水设备不仅改善了供水水质，稳定了供水水压，又大大降低了能源消耗，且自动化程度高，充分发挥了变频调速的节能潜力．

［1］张向东，钟媛媛，王伟．变频器内置PID功能在恒压供水系统中的应用［J］．电站设备自动化，2001（3）：23－24．

［2］马良河，杨洁浩，叶建强．交流电机变频调速性能试验系统的研究［J］．电机与控制应用，2010（1）：44－46．

［3］朗朗，陈跃东．用模糊控制和变频调速实现恒压供水［J］．电子科技大学学报，2004（1）：79－82．

［4］贺玲芳．基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统［J］．西安科技学院学报，2000（3）：243－245．

［5］陈成勇．多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统［J］．自动化技术与应用，2010（1）：114－117．

The Application of the Transducer for Constant Pressure Water Supply System

WANG Xin－qiang1，HUANG Jie1，SUN Hao2，ZHANG Ya－feng3
（1．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2．Rongcheng Electric Power Bureau，Weihai 264300；3．State Intellectual Property Office of The P．R．C，Beijing 100088，China）

In this paper，a constant pressure water supply is proposed．According to the demand of Energy Saving，the paper sets forth how transducer is controlled，its parameters are set up in the constant pressure water supply．The test has been verified that this system has reliable function，simple operation and energy conservation．

transducer；PLC；constant pressure water supply；energy saving

TP211＋．51

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．05．019

1671－6906（2011）05－0072－04

2011－09－16

王新强（1979－），男，河南新乡人，讲师．