智能全变频恒压供水技术在二次供水中的应用

杜乃成

（天津市华澄供水工程技术有限公司，天津 300385）

智能全变频恒压供水技术在二次供水中的应用

杜乃成

（天津市华澄供水工程技术有限公司，天津 300385）

该文重点介绍了智能全变频恒压供水的技术特点，并通过试验的方法，与传统单变频、多变频恒压供水设备比较分析，阐明了智能全变频恒压供水技术在二次供水系统中的节能、稳压等运行特点。与传统变频控制方式恒压供水相比，该智能全变频技术在某些工况下的节能可达20%以上。

全变频；恒压供水；二次供水

变频恒压供水技术自20世纪90年代在我国推广以来，取得了飞速的发展。目前国内二次供水加压技术大多采用单变频、多变频恒压供水技术，即“变频+工频”的控制策略。但有研究表明，在实际应用中“变频+工频”的水泵加压技术在能耗控制和供水稳定性方面存在不足。随着人们节能意识、供水需求的不断增强，“全变频”供水技术目前已成为二次供水领域发展的研究热点之一。如何优化变频供水方式、提升节能效果、简化操作流程成为当前研究的主要方向[1-4]。

本文将智能全变频恒压供水技术应用于二次供水设备，集远程监控、远程报修、全变频节能控制于一体，并通过试验数据验证并分析了该智能全变频恒压供水技术在能耗和供水稳压方面的特性。

1 智能全变频恒压供水系统

本研究搭建了智能全变频恒压供水控制系统，系统结构如图1所示。该系统为每台水泵配备1台变频器，控制单元采集系统压力、液位、流量等信号，实时采集信号数据，通过全变频恒压供水控制算法控制水泵的运行；其控制柜由变频器、控制单元、云通讯单元、人机交互界面、手机APP、电脑PC端等部分组成。通过人机交互界面、手机APP、电脑PC端来监控系统运行。

图1 智能全变频恒压供水系统结构示意Fig.1 System structure of intelligent all VVVF water supply equipment

该系统在采用全变频控制策略的同时，在系统中增加云通讯单元，通过云通讯单元的数据交换传递作用，可以将设备运行状态信息等数据实时传递到云端，进而实现同手机、电脑等客户端之间的信息交换，方便数据采集，便于数据分析。通过移动客户端可以实时监控设备运行、实现远程调试及升级更新，有利于提升运维效率。

2 智能全变频技术在二次供水的应用

2.1 变频调速恒压供水系统的能耗特性

变频调速恒压供水系统主要由变频调速器（控制器+变频器）、交流电动机、水泵几部分组成，系统通过改变电机的运行频率，进而改变转速来达到恒压供水的目的。变频调速恒压供水水泵的工作性能曲线和管路特性曲线如图2所示[5]，图中曲线1为管路特性曲线，曲线2为水泵工作性能曲线。

图2 水泵的工作性能曲线和管路特性曲线Fig.2 Performance curve of the pump and pipeline characteristic curve

扬程H与流量Q的关系表达式为

式中：S为管路的特性系数值，s2/m5。

变频调速水泵的能耗Nin可由式（2）确定：

式中：γ 为水的比重，kN/m3；Q 为水泵的流量，m3/s；H为水泵的扬程，m；η为变频调速水泵的综合效率；ηνfd为变频调速器效率；ηm为交流电动机效率；ηp为水泵在部分负荷下的运行效率。

各部分的运行效率随水泵负荷的改变而改变，水泵运行的能耗并非简单的同流量的成三次方的关系。当负荷率越低，其运行效率越低，而且在低负荷时其综合运行效率会急速下降。因此，让变频调速水泵尽可能地在效率区运行才能实现系统节能的目的。

2.2 全变频恒压供水系统的节能效果分析

为分析全变频供水控制系统节能效果，搭建二次供水叠压试验平台，如图3所示。图3中叠压设备通过压力变送器②测定出口压力作为PID的控制反馈信号，通过流量控制阀③调节出水流量，通过流量变送器④来测定出口流量，3台水泵的额定功率均为3 kW。试验分别测试在“全变频”和“变频+工频”2种控制方式下，在不同设定工作压力下各台水泵输出功率的值。

图3 二次供水全变频恒压供水建叠压试验平台Fig.3 Experimental platform for all VVVF water supply

通过试验，得到该系统在“全变频”控制方式下各泵运行频率和输出功率的参数如表1所示，在“变频+工频”控制方式下各泵运行频率和输出功率的参数如表2所示。

将表1和表2数据进行对比分析，计算系统总输出功率，得到不同控制方式下总输出功率对比曲线，如图4所示。

由图4所示曲线图可以看出，对比2种控制方式，全变频控制方式在相同工况下达到相同设定压力，其整体节能效果是比较明显的。并且，当“变频+工频”控制方式中的变频泵运行频率越小，则在相同工况下，该“全变频”控制的节能效果越是明显。实测数据显示，与传统单变频控制方式相比，采用全变频控制时，设备在某些工况下节能可达20%以上。

表1 采用“全变频”控制的设备运行数据Tab.1 Running data of all VVVF water supply equipment

表2 采用“变频+工频”控制的设备运行数据Tab.2 Running data of single-frequency constant pressure water supply equipment

图4 “全变频”和“变频+工频”控制方下总输出功率对比Fig.4 Total output power comparison of all VVVF and single-frequency

2.3 全变频恒压供水系统的加压过程分析

传统的恒压供水设备采用“变频+工频”的控制方式，当系统在调整出水压力等工况下，而需要进行水泵的投入或切除操作时，需要先停止运行的变频泵，然后延时切换工频，再投入另一台泵变频软起运行。在加压过程中，由于泵组切换延时和软启动延时，会造成系统压力波动，甚至可能出现全部停泵，造成短时失压的情况。

由于采用全变频的控制方式，使泵的投入、切除过程避免了工频变频切换带来的问题，投入、切除过程是平稳进行的。其投入时系统压力变化曲线如图5所示，由图可见，全变频投入过程系统的压力变化平稳，没有造成明显水压波动。

图5 “全变频”控制方式水泵投入过程系统压力变化曲线Fig.5 System pressure curve of the pump switching process of all VVVF

3 结语

综上所述，本文将智能全变频恒压供水技术应用于二次供水设备，通过试验的方法，验证了该技术节能的效果，与传统控制方式相比，在某些工况下节能可达20%以上；并且通过智能控制算法，使系统运行平稳、减少了系统压力波动；此外，通过手机APP、PC端来可实时监控系统的运行参数，实现系统的远程维护与调试，随着互联网技术的发展，提高了系统的灵活性和交互性。

随着人们对供水需求的不断提升，智能全变频供水技术，可以更好地满足市场对供水设备高效节能、稳定可靠、方便灵活等的多种需求，具有一定应用价值。

[1] 沈月生，罗定元.数字集成变频恒压控制恒压供水设备的设计选用 [C]//中国工程建设标准化协会建筑给水排水专业委员会、中国土木工程学会水工业分会建筑给水排水委员会2015年学术交流年会，上海：2015.

[2] 王朋涛.城市给水泵站全变频变压变流量运行控制优化研究[D].重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2008.

[3] 李良仁，王兆晶，汪临伟.变频调速技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4] 陈景文.高层建筑变频恒压供水控制系统设计[J].中国给水排水，2007，23（24）：30-34.

[5] 丁云飞，江长平.变频调速水泵的能耗分析[J].流体机械，2001，29（3）：25-26.

Technology of Intelligent all VVVF Constant Pressure in the Application of the Secondary Water Supply

DU Nai-cheng

（Tianjin Huacheng Water Supply Engineering&Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300385，China）

This paper mainly introduces the technical characteristics of intelligent all VVVF constant pressure water supply，through experimental method and comparative analysis of the traditional single-frequency，multi-frequency constant pressure water supply equipment，expounds the characteristics of energy saving and stabilization of intelligent all VVVF constant pressure in the secondary water supply system.Compared with the traditional frequency conversion control mode，in certain conditions，the energy saving of the all VVVF technology can reach more than 20%.

all variable voltage and variable frequency（VVVF）；constant pressure water supply；secondary water supply

TP273

B

1001-9944（2017）08-0057-03

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.014

2017-05-19；

2017-07-20

杜乃成（1974—），男，博士，高级工程师，研究方向为自动化控制优化与机电技术开发。