基于水泵轴功率的变频恒压供水系统泵组控制研究

邵光明，缪小平

(解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

基于水泵轴功率的变频恒压供水系统泵组控制研究

邵光明，缪小平

(解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京210007)

变频恒压供水系统能够根据水负荷变化自动调节水泵转速或切换水泵运行的台数，有效节约了电能，同时实现了水泵的软启动。通过分析变频恒压供水系统特点，提出基于水泵轴功率的变频恒压供水系统泵组控制方式，设计了一套以可编程逻辑控制器PLC为控制核心，结合变频调速技术和PID调节等技术的自动恒压变频供水系统。该供水系统能够有效地避免人为操作的复杂性且控制简单可靠。

变频恒压供水；轴功率；泵组控制；变频调速

0 引言

变频恒压供水系统能够根据水负荷的变化自动调节水泵转速或切换水泵运行的台数，同时实现了水泵的软启动，从而有效避免了水泵起动时对供电电网以及机械设备造成的冲击和人工操作的繁杂性，并有效节约了电能[1]。克服了水塔高位水箱重力供水、气压罐供水、电池滑差离合器调速以及恒速泵加压供水等小区传统供水方式的系统效率低、自动化程度低、水电资源浪费严重、供水可靠性差、水泵使用寿命短等缺点，是比较先进、合理的节能型供水系统[2]。

传统的变频恒压供水系统以管路压力为反馈信号，控制方式多采用单变频器循环控制多台水泵的方式。本文总结变频恒压供水系统的运行特点和控制方式，在分析系统运行过程中水泵扬程、流量和功率的变化规律的基础上，提出基于水泵轴功率的变频恒压供水系统泵组控制方式。设计了一套以PLC为控制核心，以供水管网的水泵轴功率为反馈信号，结合变频调速技术、PID控制与通信等技术实现的恒压变频供水系统。此系统可以根据用户水负荷的变化自动调节水泵电机转速和切换水泵运行的台数来实现恒压供水。

1 理论分析

1.1变频恒压供水系统简介

变频恒压供水系统的基本控制策略：采用PLC与变频器构成控制系统，完成供水系统的闭环控制，在用户水负荷变化引起管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的[3]。传统的变频恒压供水系统的控制目标是由压力传感器测量泵站出水总管的出水压力，并将测量值传递到PLC，PLC将测量反馈值与系统设定的给水压力值进行比较，其差值输入PID模块运算处理后，输出模拟信号给变频器，用变频器调节水泵电机的运行频率来实现恒压供水[4]。

变频恒压供水系统的控制方式主要有两种[5]：

(1) 每台变频器控制一台水泵：这种控制方式需要给每台水泵配备一台变频器，由于大型变频器价格高，在水泵较多的场合初投资大。

(2) 单变频器循环控制多台水泵：当系统供水压力不足需要加泵时，先将变频泵转换成工频电路运行，然后变频器带动下一台泵变频起动；当系统供水压力过高需要减泵时，先将变频泵停机，然后将一台工频水泵切换至变频运行。

在实际工程应用中，较多采用单变频器循环控制多台水泵的恒压供水系统，这样在保证系统正常运行的同时可降低初投资[6]。能够实现系统水泵的软起动，减小水泵起动时对电网的冲击，同时有效避免了水锤现象，系统运行更加稳定。泵组通过PLC根据用户的实际用水量投入适当的水泵台数运行，自动调节变频水泵的转速以及切换泵组水泵运行台数以达到供水管网压力保持恒定的目标。

1.2基于水泵轴功率的控制方式研究

图1为恒压供水系统图。变频恒压供水系统在运行过程中，水池的液面维持稳定，管路压力测量点P与水池液面的高差基本不变。对于单变频器循环控制多台水泵控制的变频恒压供水系统，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行。工频水泵运行时性能曲线不变，水泵的功率与流量和扬程有关[7]。供水系统运行过程，不调节水泵两端截止阀，水泵管路进口与出口之间的阻抗S不变，将水泵管路入口和出口的管路及管件的阻抗视为水泵内虚阻抗的一部分。

图1 恒压供水系统图

离心水泵功率计算公式[8]如下：

H=K2HX-SXQ2

(1)

(2)

其中，HX、SX、P0、α由水泵特性确定，对确定水泵为常数。H为水泵扬程即压力测量点P与水池液面的高差，基本维持不变。水泵工频运行时调速率K不变，Psh为水泵轴功率。通过水泵轴功率计算公式得到管路压力设定值不变时，工频水泵轴功率保持不变。对于单变频器循环控制多台水泵控制方式的变频恒压供水系统，维持工频水泵轴功率稳定可以保证系统压力维持稳定，达到控制系统正常运行的目的。利用水泵轴功率代替压力测量点压力值作为控制量和反馈信号，通过可编程控制器PLC控制系统运行。

图2为变频恒压供水系统泵组水泵运行工况图，N0为水泵工频运行性能曲线，N1为水泵变频运行性能曲线，N2为两台水泵并联运行时性能曲线。系统运行中，管路压力设定值HA，此时工频水泵在额定工况点D运行。

图2 变频恒压供水系统泵组水泵运行工况图

当用户水负荷减小时，用户端管路中阀门开度减小，管路阻抗增大，管路性能曲线变陡，由S0变为S1，泵组的工作点由A变为B，此时供水压力增大至HB。泵组轴功率减小，工频水泵功率减小。此时PLC输出减频信号给变频器，调小变频泵频率，使得工频泵功率增大恢复到设定值，维持管路压力的稳定。

当用户水负荷增大时，用户端管路中阀门开度增大，管路阻抗减小，管路性能曲线变缓，由S0变为S2，泵组的工作点由A变为C，此时供水压力降低至HC。泵组轴功率增大，工频水泵功率增大。此时PLC输出增频信号给变频器，调大变频泵频率，使得工频泵功率减小恢复到设定值，维持管路压力。

2 基于水泵轴功率的泵组控制设计

2.1基于水泵轴功率的控制系统

控制系统主要由PID可编程控制器、变频器、电能表、水泵组成，闭环控制流程图见图3。当用户水负荷发生变化，阀门的调节使得管道阻抗改变，管路性能曲线变化，泵组的工作点变化，使得工频水泵和变频水泵的轴功率都发生改变。电能表将测得的水泵轴功率值传送给PLC，PLC将测量反馈值与预设的功率值进行对比后，产生输出信号调节变频器频率来改变水泵电机的转速，从而维持管路压力的稳定，并达到节能的目的。

图3 控制流程图

2.2基于水泵轴功率的控制方式

图4 变频器循环控制的恒压供水系统图

图4为变频恒压供水系统泵组控制系统图，4台水泵为相同水泵，系统正常运行最多开启3台水泵，M4为备用泵。PLC通过逻辑算法控制继电器电路，使水泵可以在工频电路和变频电路间切换。由于变频器谐波对电路下方会造成影响，电能表测量水泵轴功率应位于变频器的电路上方[9]。

PLC根据设定功率值和实际功率反馈值，产生输出信号调节水泵电机的转速以及切换水泵运行台数，维持供水系统管网压力的稳定。当用户水负荷较小，一台水泵可以满足要求时，保持一台水泵工频运行，通过调节阀门运行。此时管路压力可能大于压力设定值，但压力超出有限，对系统影响小。当用户水负荷增大至单台水泵不能满足要求时，加入变频泵运行。

系统起动时，首先软起动M1，频率由0 Hz逐渐增加至50 Hz后切入工频电路运行，此时水泵的轴功率若小于功率设定值，不加泵。用户用水负荷增大，M1轴功率增大，当功率反馈值大于功率设定值时，经延时滤波确定后，发出加泵信号，M2从0 Hz开始启动。当M2的运行频率达到设定的上限频率时工频泵功率反馈值仍大于设定值，经延时滤波确定后，将M2切换到工频电路运行，变频电路切换启动M3。当三台水泵都满负荷运行还不能达到供水要求，管路运行可能出现故障，应及时检修。

下面以M1、M2工频运行，M3变频运行为例说明用户用水量减少时变频恒压供水系统的减泵运行控制。用户用水量减少时，变频器频率减小，M3转速降低，系统压力维持稳定。当M3的运行频率达到设定的下限频率时，通过延时滤波确认后，发出减泵信号，将M3从电网中切除，将M2切换到变频电路运行。用户用水负荷进一步减小，当M2的运行频率达到设定的下限频率时，通过延时滤波确认后，发出减泵信号，将M2从电网中切除，M1保持工频运行。

3 结论

本文设计了以PLC为控制核心，结合变频调速技术、PID调节等技术的变频恒压供水系统。通过功率设定值PID调节水泵频率实现变频恒压供水系统泵组控制，控制流程简单，不使用压力变送器和流量计。同时功率变化快，更能够实时体现空调水系统负荷变化情况，有利于调节，对提高和改善供水品质有重要的实用价值和现实意义。缺点是当用户水负荷较小，系统只有一台水泵运行时，只能通过调节阀门运行，但是这种情况出现的较少，对系统运行影响小。

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[5] 赵小国，孙伟，阎晓妹.基于时间优先级的变频恒压供水系统的泵组控制方式研究[J].电机与控制应用，2011，38(10): 8-11.

[6] 吴肖甫，王小海，祁才君．恒压供水系统控制策略及其实现[J]．浙江大学学报，2002，29(6): 652-657.

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Study on pump group control based on pump shaft power in variable frequency and constant pressure water supply system

Shao Guangming，Miao Xiaoping

(College of Defense Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

Variable frequency and constant pressure water supply system could automatically adjust the pump speed or switch the number of pumps according to the changes of load，which realize pump’s soft-start and effectively save the consumption of electric energy.This paper proposed a variable frequency constant pressure water supply system control mode based on the pump shaft power through analyzing the characteristics of variable frequency constant pressure water supply system，and designed a set of automatic constant pressure frequency conversion water supply system with programmable logic controller PLC as control core，combined with the PID control technology and frequency conversion technology.The water supply system can effectively avoid the complexity of manual operation and the control strategy is simple and reliable.

constant pressure water supply; shaft power; pump group control; frequency conversion

TP29

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.023

邵光明，缪小平.基于水泵轴功率的变频恒压供水系统泵组控制研究J.微型机与应用，2017,36(21)：78-80.

2017-05-15)

邵光明(1993-)，通信作者，男，在读硕士研究生，主要研究方向：空调水系统节能控制。E-mail：305828635@qq.com。

缪小平(1957-)，男，博士生导师，主要研究方向：建筑设备自动化。