变频恒压供水技术是80年代后期发展起来的，主要用于楼宇高层的加压供水，具有水压恒定、水质好、占地小、无高位水箱、噪音小、节能等一系列优点。该技术能实现水泵的软起动，减小水泵起动时的冲击电流，使水泵的使用寿命延长，在调节水泵流量时，可以节约可观的能量。 水泵的输出特性既决定于水泵的种类，也随供水管网系统的阻力特性曲线不同而不同。离心式水泵的特性公式如下： (1) 式中，P为水泵的功耗(kW)；Q为使用工况点的水泵流量(m3/s)；H为使用工况点的扬程(m)；k为输出介质常数(kg/m3)；η为使用工况点的泵效率(%)。 图1 离心水泵的H-Q曲线 图1给出了离心式水泵的H-Q曲线，可见，在水泵的工作过程中，在等于原设计工况(点A)时效率最高，偏离这个工况(点在B、C两点间)效率就会降低。 根据水泵理论的相似定律，当水泵的转速发生变化时，它的扬程H、流量Q及水泵功率P也随之变化，它们之间的关系可以表示为： （2） （3） （4） 流量Q与转速n的一次方成正比；扬程H与转速n的平方成正比；水泵功率P与转速n的立方成正比。 图2 供水管网的H-Q曲线 供水管网的H-Q曲线如图2所示。管网装置特性(H-Q)可根据闸阀全开时测得的各种数据由式 求得。其中Hj为水泵的进出口水位高度差(m)，其大小与流量Q无关；α为供水管路的阻力系数。管网特性曲线与泵特性曲线之交点即为泵的正常使用工况点。⒉变频恒压供水系统的设计与实现 变频恒压供水系统的核心在于使用一台或几台变频器对供水系统的水泵进行变频控制，使供水水泵尽量工作在最佳效率状态。 ⑴ 变频恒压供水系统的节能原理 图3 供水流量变化时的H-Q曲线 在图3中，水泵额定运行时的工况点D是泵的特性曲线Nn与管路阻力曲线R1的交点。传统的利用阀门控制的水泵，由于要减小流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R1转移到R’1，扬程则从H0升到H1，流量从Qn减小到Q1，运行工况点从D点转移到A点。 而调速控制水泵时，阀门没有开关变化，因此阻力曲线R1不变。为使流量改变，需要改变水泵的转速。如果把速度从Nn降到N1，特性曲线也从Nn转移到N1。此时，运行工况点从D点转移到C点，扬程从H0下降到H3，流量从Qn减小到Q1。 根据公式(1)求出，运行时，在A点水泵的功耗为 ，C点水泵的功耗为 ，两者的差值为： 。也就是说，用阀门控制水泵流量时，有ΔP功率被浪费掉了，并且这个损耗随着阀门的关小而增加。 ⑵系统构成与控制方式选择 针对给定的条件进行系统设计，由于各泵容量相等，可只用一个变频器，额定功率稍大于或等于泵的额定功率。由于变频器的价格较高，因此不建议使用变频器的双余度备份，但可在保护和故障容错中做一定投资，以更好地保证系统安全稳定运行。控制器件与控制方案选择如下： 现阶段使用较多的控制器件为：微处理器（单片机或DSP）、PLC或专用变频器。专用变频器的主要生产厂商有三菱、ABB等公司。不同的控制装置在控制的原理上基本是一样的，主要有PID调节器、变频/工频自动切换、水网压力检测环节等，通过图5所示连接而组成供水系统。 为了保持供水管道的压力恒定，就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制器，使其构成压力闭环控制系统。现在最常用的控制器是以PID调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法。 变频调速供水的恒压值一般选用最不利点（管端）恒压控制比较准确，但该压力信号传输距离太长，一方面容易受到干扰，另一方面也容易出现故障，因此在用户对供水精度要求不很高时，常以出水母管出口处压力作为恒压值进行控制。 对于专用变频器，由压力传感器检测到的管网压力直接送入变频器中的PID调节器输入口；对微处理器（包括PLC）控制的系统，压力设定值以及用户管网压力检测值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号，当变频器频率达到最大时，若仍没有达到压力设定值，就进行变频/工频切换，同时重新给变频器输出一个转速控制信号。压力检测值与压力给定值差距越大，该输出信号变化就越大。一旦管网压力达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。 在专用变频器中，压力给定值可以通过变频器输入设定，也可以通过电位器送入；而微处理器控制系统的压力给定值也可通过相应的装置输入。允许用户在现场设置PID参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。 一般情况下，PID方式的调节器就能够满足供水管压力的稳定调节。然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题，比如在系统的动态运行过程中，水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。这些问题只能通过选定最优的PID参数或修改PID算法来解决。在此不作详细的分析。 ⑶各条件下供水具体控制方式 恒压供水的起动与停机： 在水泵出口母管处装设压力变送器和流量变送器，将压力和流量信号送入控制器，控制器将接收到的信号进行比较、运算，并发出指令，对变频器进行控制。如果检测得管网压力大于设定值，则系统不起动，当管网压力小于设定值时，系统起动。 变频器带1＃泵软起动,此时1＃泵处于变频调速运行状态，变频器根据收到的信号随时调整水泵的转速。当1＃泵达到额定转速仍不能满足水压值要求时，则该水泵自动切换到工频状态下运行，变频器则控制2＃水泵，使之软起动并运行。依此类推，直到管网压力满足压力设定要求。 在用水高峰过后，由于投入多台泵而使管网压力超过设定值，系统依据先投先停的原则，依次停止1＃泵，2＃泵，…。先投先停可以实现对多台泵的平均使用，有利于延长泵的使用寿命。对于所有泵的起停控制，完全由管网压力决定。 休眠控制： 在夜间用水量非常少的情况下，为了节能，可以设置可以使水泵暂停工作的休眠状态。在管网压力允许的条件下，当变频器输出频率低于某下限频率时，变频器停止输出。当管网压力小于下限设定时，再唤醒变频器使之重新开始工作。 ⒊实际系统的设计 ⑴实际系统中应考虑的其他因素 对于实际系统来说，四台等容量的供水泵并不是特别合理。在选取水泵时，应考虑在几乎所有工况下都能使工作中的水泵处于高效率工作区间，因此，在夜间或需水量非常少的工况下工作的水泵可选一个比其他容量都小的。 同时，如果该系统是针对实际供水而设计的话，则应该同时考虑楼宇泵房中所需要的另两种泵：深井泵与污水泵，显然那样的话系统会比现在的复杂一些。 主要由于绝大多数城市都不允许直接从市政管网吸水，因此采用变频调速恒压供水方式时仍然需要设置调节水池。在调节池中应安装液深传感器以检测液面高度。当水池液面下降到一定高度时，为了保证消防用水，就需停止水泵运行，这个高度就是消防水位。只有当水池液面达到设定水位时才能恢复正常供水。 污水泵控制：一般泵房都漏水，因此有集污池。在集污池中安装液位控制器，当污水池液面达到排污高度时，自动起动排污泵，排完污水后自动停止排污泵。 ⑵管网水压控制点的选择 在本文设计的系统中，为了减少成本及增加可靠性而采用了泵口恒压方式，只能对由水量变化而引起的水泵剩余扬程进行监控，它不包含管网阻力下降而产生的剩余扬程；若采用最不利点恒压控制方法，则水泵的调速幅度同时决定于上述两个变化因素，使水泵调速后的扬程与管网阻力特性曲线更好地符合，以获得最佳的节能效果。在实际工程中，较现实的做法是在条件允许的情况下，尽可能将压力控制点靠近最不利点。 ⑶抗干扰问题 为保证系统可靠运行，在电气连接上应注意采取抗干扰措施： ①交流电源侧可采用RC低通滤波，以防止来自电网的干扰。器件的直流电源输入端跨接电容滤波。 ②处理好一点/多点接地，数字地和模拟地分开等问题。 ③信号线选用带的双绞线、电源线与信号线不平行布设，弱电强电分开。 ④模拟信号采样后，采用中值数字滤波，增加抗干扰能力。 ⑤在硬件设计中，增加看门狗电路；软件设计中采取了指令冗余，软件陷阱等保护措施。 ⑥当系统出现故障时，能自动声光报警，可转手动操作。 ⑷故障时的问题 对整个系统来说，不仅需要实现自动调节水泵转速和软起动的功能，电机应有过载、短路、过压、缺相、欠压、过热等保护功能，对于供水管路出现的问题也应该有所识别，在故障不严重的情况下应能继续运行，并对故障作出报警。 对于调节池缺水的情况，可通过液深传感器检测，立刻停止水泵运行。当水池水位达到运行水位时，自动恢复水泵运行。 在管网出现漏水问题及管道阀门损坏、不出水、少出水问题时，水泵运行会出现不出水或水压达不到设定值的情况。在这种情况持续某个设定的时间之后，认定为管网缺水，系统发出故障报警信号，并提示及时进行系统检修。 在运行过程中，若变频器出现突然故障时，当前运行的变频泵应自动切换至工频状态继续运行，同时发出故障报警信号；若水泵电机出现故障，应及时切除有故障的水泵并发出报警信号，同时将闲置的水泵投入系统中运行。
综上所述，采用自动化程度较高的变频恒压供水系统，不仅能够最大程度地提高整个系统效率、延长系统寿命、节约能源，而且灵活性较好，能构成复杂的、功能强大的供水系统。
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