基于电机变频调速的供暖系统补水泵恒压设计

杨振元(新疆轻工职业技术学院，新疆乌鲁木齐 830021）

传统供暖系统由恒速泵加压进行供水，供暖系统电机为了能够适应供水量的变化，在供暖系统运行中需要频繁的开启与关闭水泵。这在很大程度上减少了水泵电机的使用寿命以及工作效率、质量，水泵电机的频繁启动与关闭还会严重影响电网的安全运行，造成电力设备出现故障。传统供暖系统水泵主要是根据高出实际用水高度的压力进行水压提升，导致水泵能量损耗与轴功率出现一些不必要的浪费。本文通过PLC控制电路，对换热站补水泵自动恒压系统进行合理的设计。换热站补水泵自动恒压系统包括三个部分，即电控设备、变频器和供水控制器。

1 供暖系统补水泵二次回水自动恒压的分析

供暖系统在运行过程中必须保持二次回水压力处于恒定状态，因为二次回水压力的恒定是供暖系统正常运行的前提。供暖系统运行中，为了有效地防止供暖系统出现倒吸入空气的状况，供暖系统回水管中的水压高度要超过用户端的充水高度，这样能够有效防止管道出现腐蚀现象。供热系统中热水通过循环泵运行。热水经过循环泵过程中，如果阀门、管道出现泄漏现象，会对循环水的水压产生严重影响，需要立即使用补水泵在供暖管网中进行补水操作，只有这样才能够保证供暖系统处于正常的运行状态［4］。

为了维持供暖系统二次回水压力处于稳定状态，需要根据供水系统中设定的压力值，通过补水泵对输出频率进行合理的调整［5］。压力传感器实时监测系统将供暖系统中存在的热水水压进行转换，将其转换为反馈信号，传输到PLC中，通过PLC对这一反馈信号与供暖系统中给定的压力值信号进行比较，然后对供暖系统中所需的补水量进行判断，并且还要将相应的操作指令传输到变频控制柜中。变频控制柜在接收到操作指令之后，利用变频器对速度、频率进行适当修改，以此对供暖系统中的补水泵转速进行控制，有效地改变供暖系统中的补水量，使供暖系统恒压点压力处于稳定状态。图1所示为供暖系统中补水泵变频恒压的整体流程。

图1 供暖系统中补水泵变频恒压的流程图

根据换热站的实际运行状况，如果供暖系统中的热水给定水压的稳定值为W MPa，那么压力传感器在供暖系统回水主管中转换的水压值在10W mA～50W mA，然后将这一水压转换为反馈信号，传输到PLC的输入端中。将PLC中的给定值设定为10W kg，当供暖系统中的热水水压值没有超过10W kg时，PLC的输出操作指令就会提升变频器中的输出频率，这时供暖系统中的回水主管开始进行补水操作;当供暖系统中的热水水压值处于10W kg或者高于10W kg时，PLC中的反馈信号与给定信号之间基本上就处于一致的状态，PLC的输出操作指令就会降低变频器中的输出频率，这时供暖系统中的回水主管就会停止补水操作。供暖系统运行过程中，通过对补水量进行合理的控制，能够有效保证供暖系统回水压力处于恒定状态。

2 设计供暖系统补水泵的变频恒压电路

图2所示为供暖系统补水泵的扁平恒压电路。供暖系统主要由一台ACS550型号的变频器、一台断路器、一台压力传感器、一台热继电器、三台水泵以及一台S7－200型号的可编程逻辑控制器等系列设备组成。QF5为变频器断路器，QF4、QF3、QF2为水泵工频运行断路器，QF1为主电路断路器;FR3是用于控制M3过载保护的热继电器，FR2是用于控制M2过载保护的热继电器，FR1是用于控制M1过载保护的热继电器;KM11控制3号水泵工频运行，KM7控制2号水泵工频运行，KM3控制1号水泵工频运行;KM12控制3号水泵变频运行，KM8控制2号水泵变频运行，KM4控制1号水泵变频运行;M3、M2、M1均代表水泵。QZB代表自耦减压变压器，FVVV代表变频器。

3 设计供暖系统补水泵的变频调节程序

供暖系统中变频恒压供水控制系统要按照检测过程中获取的输入信号状态，根据图1中显示的变频恒压控制流程，利用变频调速器以及相关的应用元件来维持补水泵的恒压供水状态，通过补水泵变频调速定压技术对热水供暖系统进行控制。

(1)变频恒压供水控制系统在通电过程中接收到相关有效的自控系统启动信号时，变频恒压供水控制系统中的变频器会启动，对调速水泵进行拖动;利用恒压控制器，按照用户管网中设定压力与实际压力之间的误差，对变频器中的输出频率进行有效调节。当设定值与输出压力相等、用水量与供水量处于一致状态时，转速处于稳定。

(2)当供暖系统中补水泵的水压减小、用水量增加时通过恒压控制器与压力闭环，能够增加供暖系统补水泵的转速，将水泵的转速提升到另一个稳定值;当供暖系统中补水泵的水压增大、用水量减小时，供暖系统中水泵转速会减小。

(3)当供暖系统中补水泵的用水量继续呈现增加趋势，变频的最大频率达到50 Hz，如果用户管网中的实际压力没有达到设定中的压力值，而且供暖系统中有备用的水泵时，变频恒压供水控制系统中的水泵将由变频运行状态转变为工频运行状态;同时，为了能够有效满足用户对于用水量的需求，在变频恒压供水控制系统对泵进行切换，将另一台泵作为变频恒压供水控制系统中的变频启动泵，直至用户管网中的实际压力达到设定中的压力值。

(4)如果供暖系统中补水泵的用水量还是处于持续增加的态势，那么就在变频恒压供水控制系统中更换新的水泵，将变频恒压供水控制系统中的水泵由变频运行状态转变为工频运行状态。当变频恒压供水控制系统中的最后水泵处于运行状态时，用户管网中的实际压力还没有达到设定中的压力值，变频恒压供水控制系统会产生相应的水压超限警报。

(5)如果变频恒压供水控制系统中的水压逐渐升高，而水量呈现下降状态，变频恒压供水控制系统中变频的输出频率应当最大限度的降低。若用户管网中的实际水平高于设定中的水压值时，在合理减少水泵的前提下，关闭变频恒压供水控制系统中的变频水泵，令其中一台水泵进行变频运行，直到用户管网中的实际压力值重新达到设定的水压值为止。

4 电机变频调速系统在供暖系统中应用的优势

(1)防止供暖系统中积气现象的出现

由于压力处于一个稳定的状态，定压点中的压力保持在一个恒定值，供暖系统不会受到压力波动的影响，可以避免供暖系统中出现积气现象。

(2)增加了电机的使用寿命，保持管网压力的稳定

应用电机变频调速系统有效解决了供暖系统在运行过程中补水泵频繁开启与关闭造成的一系列问题。供暖系统在应用变频调速之后，水泵电机中的无极变速方式将由0逐渐向最大额定值50 Hz进行转变，所以电流的增长处于一个平稳的状态，能够有效解决补水泵频繁开启与关闭缩短电机使用寿命以及影响管网压力稳定等问题。

(3)运行管理更加方便、快捷

变频调速供暖系统的运行管理更加便捷。当变频调速供暖系统水泵电机中的实际压力值达到设定压力值时会自动停机，在低于设定中的压力值时能够自动开机运行，不需要专门人员对其进行开启与关闭，也不会由于操作人员的判断错误导致供暖系统中的压力值降低或者升高，防止供暖系统中出现缺水、超压现象造成相关的安全事故，在一定程度上完善了电器控制保护功能。变频调速系统的操作非常简单，设备占地面积较小，设计布置也非常方便。

5 结束语

电机变频调速的供暖系统补水泵恒压设计，主要是变频调速水泵的电机由零转速呈现一种无级变速的状态，然后逐渐向工频转速转变，运行处于平稳的状态，不仅有效减少了水泵电机在运行过程中启动与关闭的次数，减少了水泵电机对电网造成的影响，而且还在很大程度上增加了供暖系统中电机的使用寿命［2］。变频调速系统在很大程度上降低了噪声，有效改善了换热站中的运行环境，提高了附近居民的生活质量，具备良好的经济效益与社会效益。换热站补水泵自动恒压系统与传统供暖系统相比较而言，不仅提升了电机在运转过程中的稳定性与补水泵的工作效率，而且还降低了所需的供水功率，对确保城市供暖稳定，促进经济发展有着十分重要的意义。

［1］王亚成.供暖系统变频调速补水泵定压技术应用［J］.中国科技博览，2014，(5):203.

［2］董岁具，孙伟丽，吴晓辉.补水泵变频调速定压技术在热水供暖系统的应用［J］.科技信息，2011，(03):111-112.

［3］俞隽亚，王増平.基于电机变频调速的供暖系统补水泵恒压设计［J］.消费电子，2013，(14):47.

［4］王新华，金志群.变频调速恒压自动给水设备在热水供暖系统中的应用［J］.中国建设信息，2002，(10):18-19.

［5］马爱龙.具有远程监控功能的换热站自动控制系统的研究与应用［J］.河北工业大学学报，2009，(03):33-34.

［6］邵宗义.变频技术在热水供暖系统中的应用［J］.中国建设信息，2004，(5):27-30.