变频调速恒压供水的控制原理

变频调速恒压供水的控制原理
介绍基于变频器、ＰＩＤ调节器、信号转换及恒压供水控制的工作原理及软硬件
设计，该系统在低成本基础上实现了较高的控制精度，延长了水泵电动机的使用
寿命，非常适合我国国内市场需求，并具有极其重要的节水节能绿色环保意义和
非常广泛的市场应用价值。

变频调速恒压供水的意义由于大部分工厂和小区用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。

保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

此外，恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。

例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。

又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。

所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

随着电力技术的发展，变频调速技术的日益完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。

其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电和节省人力，最终达到高效率的运行目的。

恒压供水系统特点
恒压供水系统特点如下。

（１）节电
优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行。

（２）节水
根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。

（３）运行可靠
由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

恒压供水变频器应用
变频恒压供水根据用户用水量变化自动调节运
行水泵台数和一台水泵转速，使水泵出口压力保持恒定。

当用户用水量小于一台水泵出水量时，控制系统根据用水量的变化让一台水泵变频运行，当用水量增加时管道系统内压力下降，这时压力传感器把检测到的信号传送给微机控制单元，通过微机运行判断，发出指令到变频器，控制水泵电动机，使转速加快以保证系统压力恒定，反之当用水量减少时，使水泵转速减慢，以保持恒压。

当用水量大于一台泵出水时，第一台泵切换到工频运行，第二台泵开始变频运行，当用水量大于两台泵出水量时，第一和第二台泵切换到工频运行，第三台泵开始变频运行，当用水量仅大于一台泵出水量时，将自动停止一台或二台泵运行。

在整个运行过程中，始终保持系统恒压不变，使水泵始终工作在高效区，既保证用户恒压供水，又节省电能。

供水系统控制方案
为实现恒压供水，目前基本上有几种实施方案，优、缺点分析如下。

第一种是逻辑电子电路控制。

这类控制电路难以实现水泵机组全部软起动、全流量变频调节。

往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频工作状态的方式。

因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大，调试较麻烦，工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较低，但成本较低。

第二种是单片机电路控制。

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况
时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。

电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。

第三种是变频器与控制器集成方案。

优点是方便安装调试、管理和维护，克服了以上两种方案的缺点，又大大降低了改造成本，非常适合我国广大中低档水平用户的市场需求，本系统设计采用的是第三种方案。

变频控制原理
用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。

其优点是：
１）起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击。

２）由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命。

３）可以消除起动和停机时的水锤效应。

一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。

当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。

但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。

虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。

但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。

因此，电动机的热保护是必需的。

对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。

在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。

升降速时间在采用ＰＩＤ调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由
ＰＩＤ调节器决定的动态响应过程。

如变频器本身具有ＰＩＤ调节功能时，只要在预置时设定ＰＩＤ功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。

ＰＩＤ控制原理
根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。

我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。

但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现控制和ＰＩＤ相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用ＰＩＤ来保持静态精度。

通过使用这种方法是可行的，而且造价也不高。

下面介绍变频恒压供水控制系统。

如图１所示。

其工作原理分析如下：根据管道上压力传感器所检测到的压力变化，经ＤＰ３－ＳＶＡＢ转换为标准的４～２０ｍＡ连续电流信号，控制变频器，调整运行频率，从而实现自动调整水泵转速，已达到恒压的功能，因为是根据实际用水情况，选择水泵开动台数，调整转速让水泵始终在高效区运转，因此节能效果显著。

１．硬件系统设计
给定电位器采用ＲＸ７３系列的精密线绕电位器，作为变频器的电压给定。

为确保压力信号到电流信号转换的精度，变送器采用精度较高的变送器，压力显示及标准的４～２０ｍＡ信号转换采用传感器专用数显表ＤＰ３－ＳＶＡＢ。

一路作为压力显示，另一路作为变频器内ＰＩＤ调节器的反馈值，给定值与反馈值进行比较，控制变频器输出频率，从而自动调整水泵转速，达到恒压水的功能如图２所示。

２．软件系统设计
Ｐ１ＰＲ０转矩提升２％
Ｐ２ＰＲ２下降频率２０Ｈｚ
Ｐ３ＰＲ１２８ＰＩＤ动作频率２Ｓ
Ｐ４ＰＲ１２９比例常数２
Ｐ５ＰＲ１３０微分９９９９
Ｐ６ＰＲ１３４微分９９９９
Ｐ７ＰＲ１８３ＲＴ端子功能选择、选１４
Ｐ８ＰＲ２５２速度变化频率５０％
Ｐ９ＰＲ２５３速度变化率２０％
Ｐ１０ＰＲ７３００～５Ｖ或０～１０Ｖ选择
Ｐ１１ＰＲ９０３频率设定电压增益５Ｖ、５０Ｈｚ
Ｐ１２ＰＲ９０４频率设置电流４ｍＡ、０Ｈｚ
Ｐ１３ＰＲ９０５频率设定电流增益２０ｍＡ、５０Ｈｚ
在正常的情况下，有两台电动机在工频状态下运行，一台电动机由变频器控制进行调节，运行频率在３５～４５Ｈｚ之间，另一台电动机处于备用装态，管道压力０．３２ＭＰａ实现恒压供水。

如图3所示：
结束语
本控制器成本低，功能单一，易于操作，工作稳定，节能效果显著，采用软起动技术延长了水泵电动机的使用寿命，大大降低了系统的维护成本。

应用类似原理，可实现适用于各种水（包括生活水、污水、消防用水、灌溉用水、锅炉给水等）、气（包括蒸汽、天然气、空气流通等）、油等流体负载供应输送系统和各种绿色恒量控制设备中，有效达到恒压、定速、定量的功能。

因此本控制器具有一定的应用参考价值，而且成本低廉，并具有极其重要的节水节能绿色环保意义和非常广泛的市场应用价值。