恒压供水系统的控制模式分析
摘要：文章介绍了恒压供水系统的基本原理，重，最讨论了多泵系统中变频器与水泵之间的控制模式问题。就变频器数量的确定，控制方式的选择。水泵问的切换方式进行了进一步的分析。
关键词：恒压供水；变频器；同步切换；控制模式
长期以来我国在工业生产循环供水、市政供水等方面技术一直比较落后，自动化程度很低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低高层用户无水可用的现象，而在用水低峰期，如高层住宅的夜间供水，水的供给量往往远大于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时会缩短各类阀件的使用寿命，甚至有可能引起水管的爆裂。
供水系统的设计。应能满足用户对流量的基本需求。以及一定的压力和节能的需要。满足用户对流量的需求是供水系统控制的基本原则。所以，流量是系统的基本控制对象，流量的大小受到扬程、管阻等因素的影响，但这些因素又难以进行具体测量和控制。在动态情况下，由于管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间有如下的平衡关系：
供水能力QC﹥用水需求QU,则压力上升；
供水能力QC﹤用水需求QU,则压力下降；
供水能力QC=用水需求QU，则压力不变。
因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。这就是恒压供水系统的基本控制思想。要保证检测点的压力值恒定不变，就需要根据用水需求QU的变化，不断地去改变供水能力QC。且前被广泛采用的变频调速供水系统就是通过变频器来调节水泵的转速，从而实现对水泵扬程及流量的控制，可以即时地改变供水能力QC。
变频调速恒压供水系统主要由执行机构、信号检测、PLC控制系统(或者单片机、DDC)、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成，其一般的工作过程：首先检测给水池液位是否正常，若无异常则可直接由变频器启动第一台水泵，同时由压力表测出管路水压，将模拟量送到PLC控制器，与给定水压值(设定上下限)比较后。控制变频器输出频率，调节水泵转速；当变频器频率到达最大或最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。本文将就变频器与水泵之间的控制模式问题进行重点讨论。
1 常用控制模式分析
1.1 模式一：一台变频器不断地在不同泵之间进行切换控制
多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器再去起动其他的电机。这种控制方式应用非常广泛，节能效果明显，由于只使用了一台变频器，故投资也相对较少。但是由于不可避免地要进行工频电网和变频器之间的相互切换操作，所以也相应地带来一系列困难：
(1)一般的切换方式出于保护的目的，在变频向工频切换时，先切断变频电源，经过足够的延时使水泵电机的反电动势降低到一定程度之后再由软启动器再次启动水泵，但是由于延时的存在会引起水压较大的波动，而且延时越久，水压波动越明显。
(2)为了避免水压波动过大，保证供水质量，可以采用同步切换的方式来实现。同步切换是指不经过任何的延时。而是直接进行变频电源向工频电网的切换。若能保证在切换前后频率和相位一致，电机即可在变频电源和工频电网之间实现平滑过渡，水压也不会产生大的起伏。但是，如果不一致则在切换时会产生瞬时大电流，有时会大大超过电动机的额定电流，导致断路器跳闸，严重时损坏电机。由于变频器电压输出起始相位具有随机性，要防止过电流的产生，就必须对切换时的相位进行控制。可以在系统中引人锁相环实现上述控制的要求。在切换时由锁相环锁定变频器输出电压的相位和频率，使变频器输出电源与工频电网电源同频同相，再切断变频电源，将水泵转至工频电网，这样就可以有效地克服切换过程中的过电流现象∞。但是系统的设计难度、设备成本也会因此增加。
(3)水泵并联运行的问题。水泵组中仅有一台水泵为变频运行，理论上这样可以有利于提高水泵组的整体效率，而实际上相当于性能曲线不同的水泵并联运行。当变速泵在较低转速工作时，定速泵与变速泵并联，相当于小泵与大泵的并联，有可能会使两台水泵都在低效区运行，出现变频泵作虚功的现象，即水泵消耗能量、有转速但无流量。这无论对于变频泵或工频泵的运行都是不利的，可能引起水泵电机的损坏。因此当系统采用“一变多定”的调节方式时，更要严格控制变速泵的调速范围。
1.2 模式二：变频器只控制一台泵，其他泵只进行工频启停切换
这样控制线路更为简单，可以回避变频器切换时锁相的难题，但是依然不能避免水压大幅波动与并联运行所带来的困难。目前一些水泵专用变频器已经具备了PID控制功能，通过一个AI口直接接收压力变送器的模拟输入信号，内置PID环路即可实现对水压的控制，这样可以省去安装PLC的成本，在一些水压要求不严格的小型系统中。模式二的优势更加明显。
1.3 模式三：多台水泵同时由多个变频器控制。即同步变频
以同一控制信号改变所有并联水泵的运行频率。各时刻各水泵运行频率相同，若运行台数不变，水泵组并联运行曲线可以完全并联，其变化类似于某单独水泵。这样的变频控制系统结构简单，不存在变频泵与工频泵切换的问题。可以很好地解决模式一、模式二中水压大幅波动及变频泵作虚功等问题，系统运行的可靠性得到进一步的提升，但是由于对变频器的数量要求较多，成本将会大幅提高。本模式主要适用于对系统可靠性要求较高，水压控制要求严格的场所。
2 结论
变频器与水泵之间的配合应根据业主要求，系统规模，投资预算和业主接受能力来选择相应的控制模式。根据不同的情况，可以在上述3种基本控制模式的基础上进行组合优化，如根据用水高峰和用水低峰制定出日间供水模式，夜间供水模式等。夜间供水模式可只开启一台工频小泵，一般情况变频泵不参与工作，达到延长变频器寿命的目的；日间供水模式可以在模式二的基础上进行扩展，首先开启数台工频泵满足基本需要，在用水量变化较大时，再引入变频泵；若用水量变化较大且对水压控制要求严格，则可以采用模式二+模式三的方式进行控制，即一部分工频泵+一部分同步变频泵的控制模式；若条件容许宜优先采用模式三。
