摘要：本文主要論述了變頻器應用于恒壓供水的場合的優點，及其系統的架構。
關鍵詞：變頻器 水泵 恒壓供水系統
Abstract：This paper describes excellence of the Inverter services in constant pressure water supply system, and frequency constant pressure water supply system..
Keywords: Inverter Pump Constant pressure water supply system.
離心式風力及水利機械，若負載上無固定阻力存在時，眾所周知，其速度、轉矩特性屬于二次方遞減轉矩特性，所需要的軸功率如下所述是與其速度的三次方成正比。
q∝n h∝n2 p∝n3
q:流量 h:總揚程 p:軸功率 n:轉速
所以對水泵實施變頻調速后節能效果會十分可觀，變頻調速恒壓供水系統(包括樓層恒壓供水和自來水廠的恒壓供水)已經為廣大用戶所接受，應用的非常普遍。對供水系統進行控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求，所以流量是供水系統的的控制對象。但流量控制比較復雜，因此考慮到在動態情況下管道中水壓P的大小與供水能力（用QG表示）和用水量（Qu）之間的平衡情況有如下關系：
供水能力QG＞用水量Qu 時，則壓力上升（P↑）
供水能力QG＜用水量Qu 時，則壓力下降（P↓）
供水能力QG =用水量Qu 時，則壓力下降（P=常數）
圖1.恒壓供水系統框圖
因此保持供水系統中某處的壓力恒定也就保持了該處的供水能力和用水量的平衡，滿足了客戶對用水流量的需求，這就是恒壓供水的目的。
1. 恒壓供水的系統框圖
現在以東元7300PA系列風機、水泵類負載專用變頻器為例說明恒壓供水系統框圖(如圖1所示)
圖中SP為壓力傳感器用來檢測主管中的水壓，將檢測到的壓力值轉換成為0~10V或4~20mA的標準電信號送給變頻器的VIN端子，作為PID控制的反饋信號。主管中水壓的給定量，是通過電位器給變頻器的AUX端子輸入0~10V電壓的模擬量信號來給定的(也可以通過頻率指令參數An-01來給定)。圖中的1為壓力儲水罐，起緩沖水壓的作用這樣可以提高系統的穩定性。
2. 變頻調速供水系統的優點
供水系統采用變頻調速后，主要有以下三個方面的優點：
2.1 具有非常可觀的節能效果。供水系統如果不采用變頻控制時，水泵只能在工頻電源的驅動下連續運轉。當用水量下降管中壓力上升時只能通過泄壓閥將多余的壓力放掉，這樣造成了很大的能源浪費。采用變頻控制后，可以通過調節水泵的轉速來控制管中壓力，這樣就達到了節能的目的。
2.2 徹底消除水錘效應。異步電動機在全壓起動時，從靜止狀態加速到額定轉速，所用的時間≦0.5S。這意味著在不足0.5S的時間里，水的流量從零猛增到額定流量。由于流體具有一定的動量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短的時間內，流量的巨大變化將引起對管道的壓強過高或過低的沖擊。壓力沖擊將使管壁受力而產生噪聲，由如用錘子敲管子一樣，這樣的現象稱為水錘效應。
水錘效應具有極大的破壞性：壓力過高，將引起管子破裂；壓力過低又會導致管子癟塌。此外，水錘效應也可能損壞閥門和固定件。在直接停機時，供水系統的水頭將克服電動機的慣性而使系統急劇停止。這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應。
采用了變頻調速后，可以通過對加減速時間的控制來延長起動和停止過程從而徹底消除了水錘效應。
2.3 延長水泵的壽命。水錘效應的消除無疑可以大大延長了水泵和管道系統 的壽命。采用了變頻調速后由于水泵平均轉速下降、工作過程中平均轉矩減小的原因，使軸承的磨損和葉片所受的應力都大為減小，故水泵的壽命將大大延長。此外，由于很多公司的風機、水泵專用變頻器都推出了PID控制下的睡眠(SLEEP)和喚醒(WAKE-UP)功能，該功能大大減小了水泵在低頻時的運轉時間，從而也提高了水泵的壽命。
3. 變頻器的選擇與功能設置
選擇變頻器時要注意與水泵容量的配合，即變頻器的容量要大于或者等于水泵的容量。要選擇風機水泵專用的變頻器。變頻器功能的設置如下：
3.1頻率上限
水泵的機械特性是二次方率遞減的機械特性，所以上限頻率fH不能超過額定頻率fN
fH≤fN
3.2下限頻率
在決定下限頻率時，有兩種情況應予以考慮：
一是水泵的揚程必須滿足供水所需的基本揚程；
二是供水系統常常是多臺水泵共同供水，如果其它水泵在高速下運行，一臺水泵轉速過低實際上將無法供水。故下限頻率一般設置為：
30HZ≤fL≤35HZ
3.3加、減速時間
水泵由于水管中有一定的壓力的緣故，在一次轉速上升和下降的過程中，慣性的作用極微。但過快的升、降速，會在管道中引起水錘效應。所以，應將加減速時間適當的拉長一些。
3.4睡眠（SLEEP）、喚醒(WAKE UP)功能
以東元7300PA系列變頻器為例介紹該功能(如圖2所示)：
使用睡眠（PID SLEEP）功能時，首先要設定PID SLEEP功能的開始頻率（Bn-18），當變頻器輸出頻率≦參數Bn-18設定值時，PID SLEEP及PID WAKE-UP功能動作延遲時間（Bn-19）開始計時，此時變頻器輸出頻率（fout）仍跟隨頻率指令（fCMD）變化。經過（Bn-19）所設定的時間后變頻器開始減速停止。當變頻器停在SLEEP模式時，PID控制機能仍一直在動作中，只要頻率指令（fCMD）≧Bn-20 (PID WAKE-UP功能動作頻率)時，開始計時，計時時間（Bn-19）一到，變頻器開始依加速時間加速。在PID SLEEP／WAKE-UP動作延遲時間計
圖2 PID Sleep／Wake-up動作示意圖
時中，若變頻器輸出頻率（fout）又大于Bn-18或頻率指令（fCMD）小于Bn-20設定值時，此延遲時間會被Reset，重新再計時。
＊ 1. 當PID控制無效時，PID sleep及Wake-up功能也跟著無效。
＊ 2. 當sleep延遲時間到時，變頻器會依參數Sn-04所設定的停止方式停止。
但是其它廠家產品的睡眠功能設定會有所不同，例如森蘭的SB12系列變頻器的睡眠及喚醒功能的動作準為是與反饋值作比較的，因此睡眠值設定的要高于喚醒值。在使用時要參考不同廠家的使用說明書來設定。
4. 1拖4（或更多）的恒壓供水系統
圖3變頻水泵固定模式
所謂1拖4（或更多）的恒壓供水系統是指由一臺變頻器帶動4臺水泵運轉的供水系統，這種系統目前應用的非常廣泛。1拖4并不是一臺變頻器同時帶動多臺水泵運轉，而是一臺變頻器分時控制其中的一臺水泵，其余水泵是由工頻電源直接拖動的。這樣做的目的是減少設備費用。但是就總體節能效果來說，與多臺變頻器驅動多臺水泵的系統相比，節能效果是大為遜色的。下面就以東元7300PA系列風機、水泵專用變頻器為例來說明1拖4(或更多)恒壓供水系統的架構以及工作方式。
東元的7300PA系列風機水泵類負載專用變頻器(加PA-PID卡)可提供兩種基本運行模式：變頻水泵固定模式與變頻水泵循環模式。
4.1變頻水泵固定模式：即以變頻器只固定驅動1臺水泵,其余水泵都是由工頻電源直接驅動的運行模式，最多可以控制8臺水泵。如圖3所示。由圖3可以看出只有第一臺水泵(M1)是由變頻器驅動的，其余7臺水泵都是由工頻電源驅動的。該模式又有三種停止方式：
4.1.1先開后關順序，全部停止。
即在水管中壓力過大需減少運轉的水泵數量時，是采取關閉最后打開的水泵的順序，此種方式適用于馬達容量大小不同的情況下。
4.1.2僅變頻水泵停止。
即當時變頻器發出停止指令時，僅讓以變頻器驅動的水泵停止。這種方式適用于用水量比較大且持續用水的情況下。
4.1.3 依先開先關順序，全部停止。
即在水管中壓力過大需減少運轉的水泵數量時，是采取關閉最先打開的水泵（運轉時間較長的水泵）的順序，以便使水泵的使用頻度均等，此方式主要用于水泵容量相等情況下。
這三種停止方式是由變頻其系統參數Sn-30的設定值來選擇的。
變頻水泵固定的運轉模式的優點是：系統種可同時驅動的水泵數量較多，可用在容量較大的供水系統中。缺點是：不能消除水錘效應，控制精度不高。
4.2變頻水泵循環模式：以變頻器驅動的水泵不是固定的某1臺，而是每臺水泵都可由變頻器來控制起動，當該水泵轉速達到最高轉速（上限頻率）并經過上限頻率延遲時間（參數Bn-23）后，就會將該水泵切換至工頻電源驅動。最多可以控制4臺水泵。如圖4所示 。在圖中可以明顯的看出，每一臺水泵都可以通過切換與之相連的兩個繼電器來改變其驅動方式（工頻還是變頻）。這種運轉模式也有兩種停止方式：
4.2.1依先開先關順序，全部停止。
即所有的水泵均以變頻器來起動后，而在水管中壓力過大需減少運轉的水泵數量時，采取關閉最先打開的水泵的順序。以便使水泵的使用頻度均等。
4.2.2 停機時只停止變頻運轉的水泵。
即當變頻器發出停止指令時，僅讓以變頻器驅動的水泵停止。這種方式適用于用水量比較大且持續用水的情況下。
這兩種停止方式也是由變頻其系統參數Sn-30的設定值來選擇的。
這種運轉模式的優點是：由于每臺水泵都是由變頻器來控制起動的，所以可以徹底消除系統的水錘效應；控制精度高。缺點是整個系統比較復雜，同時驅動的水泵數量較少。
圖4. 變頻水泵循環模式
在選擇這兩種運轉模式時，要綜合考慮系統的各項要求，根據兩種運轉模式的特點，選擇一種最適合系統要求的運轉模式。在變頻器具體參數設置時請參考東元7300PA系列變頻器操作說明書。
參考文獻：
《變頻器應用基礎》 機械工業出版社 石秋潔 主編 張燕賓 副主編
《東元7300PA系列變頻器使用說明書》
《東元PA-PID卡操作手冊》
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