SANCO-vm05变频器在恒压供水系统中的节能应用＊

刘娇月，杨聚庆，王光民

（1.河南工业职业技术学院，河南南阳 473009；2.河南红宇企业集团有限责任公司，河南郑州 451450）

1 引言

传统的供水方式采用水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，这些设备占地面积大、成本高;还不可避免地存在二次污染的问题，越来越不能满足现代化的供水和人们对生活水品质的要求。同时，采用传统的供水方式很难保证供水的实时性，不能根据用水量的变化调整泵流量，必然造成能源的浪费和过高的设备故障率。

为了满足节约能源、提高设备寿命的需要，采用变频方式维持管网压力恒定的成套供水控制装置已逐步取代传统的供水方式，变频调速恒压供水系统以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，在生产、生活、消防等各个领域得到了广泛应用。恒压供水变频系统通过水泵电机无级变速，根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，达到维持恒定供水压力的目的，使其成为先进合理的节能型供水装置。随着自动控制和电力电子技术的飞速发展，智能型控制器件和变频装置的功能也越来越强。充分利用各种先进技术，合理设计变频恒压供水设备，对降低成本、节约能源、提高供用水质量有着非常重要的意义。

2 恒压供水系统组成

在供水系统中，为满足用户对流量的需求，系统的基本控制对象是流量。动态情况下，管道中水压p的大小与供水流量Qg和用水需求量Qu之间的平衡情况如下：当供水能力Qg＞用水需求Qu，则压力上升（p↑）；当供水能力Qg＜用水需求Qu，则压力下降（p↓）；当供水能力Qg ＝用水需求Qu，则压力不变（p＝常数）。

可见，保持供水系统中某处压力的恒定，就保证了该处的供水能力和用水流量的平衡，满足了用户所需的用水流量。

变频恒压供水系统框图如图1所示。通过安装在出水管网上的压力传感器,把出口压力信号送入控制器,经运算与给定的压力进行比较,得出一个比较参数,送给变频器,由变频器控制电机的转速,调节系统的供水量,使供水管网上的压力保持在给定的压力;当用水量超过一台泵的供水量时,通过PLC控制切换器进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速,实现恒压供水。当供水负载变化时,输入电机的电压和频率也随之变化,这样就构成了以设定压力值为基准的闭环控制系统。其中变频器的作用是利用电机的无级调速,提供适合的管网水压。传感器的任务是检测管网水压,压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。

3 恒压供水变频调速控制系统设计与应用

图1 恒压供水系统框图

某居民生活小区共有10栋楼，均为7层建筑，总居住560户，根据相关计算与标准表查询，用水量标准为0.19m3／人·日，每小时最大用水量为105m3／h。要求提供适合的水压调节和控制，实现供水管网自动、节能、恒压供水。

3.1 系统方案

系统采用“一台变频器控制多台水泵”的多台水泵控制方案，由楼层高度计算供水压力值为0.36 Mpa，选用三台水泵并联供水。为节约设备投资，只用一台变频器控制三台水泵协调工作，即“一控三”技术。选用SAMCO-vm05变频器，内置PID调节器和SWS供水控制基板。变频控制系统组成如图2所示，系统可根据供水管网瞬时压力变化自动调节单台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量要求，使整个系统始终保持在高效节能的最佳状态。同时可实现恒压变量、双恒压变量等多种启停控制方式，该系统可以根据任意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID值、加减速时间等）来实现不同控制方式之间的切换。

图2 变频控制系统组成

在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，因此使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失真，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

变频控制系统组成如图2所示。可根据用户需要任意设定供水压力，给定压力通过操作面板设置；用于反馈压力的传感器采用远传压力表（电路中的P），使用时将远传压力表与变频器直接相连，性价比高。

选用水泵型号为65LG36-20×2，水泵自带电动机功率7.5kW,选用SAMCO-vm05变频器SPF-7.5K，容量7.5kW，内置有PID调节器，配接SWS供水基板。利用变频器内PID控制，比较给定压力信号和反馈信号的大小，输出相应的0-10V电压控制信号，自动控制水泵进行调速运行。

图3 变频调速恒压供水系统的控制电路图

SWS备有8个可驱动AC250V继电器的接点输出，最大可对应7台电机（水泵），可直接驱动电磁接触器RY1-RY8，通过其ON、OFF状态来控制电机启停，本系统中设置3台电机。可由接点信号从外部来选择水泵，便于设备维修，还可作为多功能继电器输出。显示变频器各种运转状态的接点信号可以输出到RY3-RY8的6个通道中。

3.2 控制过程分析

如图3所示为变频调速恒压供水系统的控制电路图。该控制电路可以实现变频、工频转换控制运行，KM0、KM2、KM4控制三台电机的变频运行，KM1、KM3、KM5控制电动机的工频运行；SA为选择开关，系统用户可方便地进行自动运转和手工运转的切换。

调速过程：先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定的数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送入变频器PID控制器，经过变频器运算，输出频率增大，水泵的转速提高，水压上升。反之，当用水量减少，水压增高时，变频器的输出频率减小，水泵转速降低，水压下降。

增泵控制流程：当用水量增大、水压下降，变频器输出频率上升到50Hz时水压仍然不足，经过短暂的延时，将M1切换为工频工作，同时变频器的输出频率迅速降低为0，然后使M2投入变频运行。当M2也达到额定频率而水压仍不足时，重复开始运行时的过程，水泵M2脱离变频器驱动，由工频供电全速运行，变频器驱动水泵M3变频运行，使水压恒定在设定值上。

减泵控制流程：当用水量减少、水压上升、变频器输出频率低于下限值时，但管网压力仍偏高时，则各泵将按照先开先停方式依次退出运行。

泵切换流程：当水泵运行一定时间后（CD169、CD170为上下限频率持续时间，即增减泵判断时间，可以设定），无需专人值守，能自动切换到下一台水泵工作，避免长期运行损耗或长期不工作锈死，大大减少了开泵、切换和停泵次数，减少了对设备的冲击，延长使用寿命；定时泵的切换功能使各泵的运转时间均一化，从而抑制了水泵的设备劣化。

3.3 系统保护

系统具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载断水等均能自行诊断并报警。如当由市电工频电源驱动电机时，电机回路中串接有热敏继电器进行过载保护；使用电磁接触器触点互锁功能，防止变频器和市电切换时，驱动双方的电磁接触器同时接通损坏变频器；设置瞬时停电互锁保护中间继电器KM*及低水位保护中间继电器RD。其中KM*是为了进行手动-自动电路之间的互锁并在发生瞬时停电时起作用（停电时，KM*线圈失电，使辅助触电切换，MBS与DCM接通，运转中的电机空转停止）；RD是当电路自动工作变频运行时，防止储水池水位过低，水泵抽不到水而进行保护的。（当水池水位低于要求值时，与RD线圈串联的OM触点断开，RD失电，使FR与DCM断路，水泵电机停转。同时MBS与DCM接通，运转中的电机全部停止。）

变频器的主要功能参数设置如表1所示。

4 系统节能效益分析

从流体力学原理可知，水泵供水流量与电机转速及电机功率有如下关系：

以上三式中：Q为供水流量；H为扬程；P为电机轴功率；n为电机转速。

本设计系统共有3台7.5kW的水泵电机，假设按每天运行16小时，其中4小时为额定转速运行，其余12小时为80%额定转速运行，一年365天节约电能为：

若每1kW·h电价为0.60元，一年可节约电费：

可见，对传统供水系统进行改造，按现在的市场价格，一年即可收回投资，运行经济效益十分可观。

5 结束语

由于采用了变频器内置PID算法控制输出和SWS供水控制基板，与传统供水系统相比，该恒压变频供水系统具有清洁性高、节省能源、操作方便、自动化程度高、供水调峰能力较高、使用寿命长、节能效果好的优点。系统无需高位水箱、压力罐，节约了原材料，降低了投资，既可以用于生产、生活用水，也可用于热水供应、恒压喷淋等系统，具有广阔的应用前景。

表1 变频器的主要功能参数设置

［1］王廷才.变频器原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2013，156-186.

［2］石秋洁.变频器应用基础［M］.北京：高等职业技术教育，2003，91-110.

［3］宋 爽，周乐挺.变频技术及应用［M］.北京：高等职业技术教育，2008，173-194.

［4］三 垦.变频器系列供水控制基板SWS使用说明书.三垦力达电气（江阴）有限公司，2010，1-34.

［5］三 垦.SANCO-vm05变频器A型、B型、C型基本功能使用说明书.三垦力达电气（江阴）有限公司，2002.

［6］马 林，刘娇月.流量控制变频调速系统在实验教学中的应用［J］.实验室研究与探索，2011，30（8）：236-237.