四用一备水泵机组变频柜方案

一、四用一备水泵机组及其变频柜应用概况
用户用水的多少是经常变动的，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。
所使用的水泵机组供水系统中，共有5台75KW水泵，四用一备。采用PLC可编程控制器自动控制水泵机组的工作。

图一 水泵机组变频恒压供水系统原理图
1、变频控制柜有两组由交流接触器组成的切换线变频/频切换电路，使水泵1和水泵2既可以切换到变频运行控制，也可以切换到工频运行控制。变频柜中还有五套星三角启动电路，这是因为所有电动机均为75KW电机，不能直接启动，而变频器又不允许带载切换。具体有五个交流接触器、五个热继电器、五个时间继电器、五个手动启动按钮和五个手动停止按钮。
在自动运行状态下，所有交流接触器的工作，都是根据按钮开关信号和网管压力情况，由PLC自动控制运行的。
2、通常四台水泵投入运行，一台作备用。当运行中的一台水泵有故障时就退出系统，而由备用水泵接替工作。
3、四台投入运行的水泵，由变频控制柜根据压力反馈信号，通过智能运算自动控制切换成一台调速、另几台或全速或停止的方式，调速的那一台由PID运算自动调整出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的。
具体的算法是通过计算判定目前是否已经达到设定压力，决定是否增加（投入）或减少（撤出）水泵。即当一台水泵工作频率达到最高频率时，若网管水压力仍达不到预设水压，则控制柜自动启动第二台水泵投入运行，工作的两台水泵一台工频一台变频运行；在两台运行时，如果变频控制的那一台已经达到最高频率，若网管水压力仍达不到预设水压，则控制柜自动启动第三台水泵投入运行，工作的三台水泵两台工频一台变频运行；同样的，在三台运行时，如果变频控制的那一台已经达到最高频率，若网管水压力仍达不到预设水压，则控制柜自动启动第四台水泵投入运行，工作的四台水泵两台工频一台变频运行。反之，若管网水压天于预设水压，控制柜控制变频运行的那一台频率降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵；和增加时的情况一样，根据压力情况依次撤出，极限情况只剩一台变频控制的水泵在运行。
4、采用一个三位开关，用户可以将其打到“自动/停止/手动”三个位置中的任意一个位置。打到“手动”档时，所有投入运行的水泵都处在工频运行状态，流量则由原有的调节阀控制，这一功能是为了万一变频控制有故障时，保证用户仍能正常供水，不影响用户的正常使用。

二、变频控制柜在水泵机组中的应用特征
水泵是平方转矩负载，当改变水泵的转速，由额定转速n1调整到某一转速n2时，由流体学可知，理论上水泵的流量(Q)、扬程(H)及轴功率(P)的变化关系如下：
Q2 = Q1 (n2 / n1)
H2 = H1 (n2 / n1)2
P2 = P1 (n2 / n1)3
也即流量与转速的一次方成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。由以上公式可以看出当水泵转速由n1降到n2，在满足同样流量的情况下，扬程H2幅度降低，功率P2明显减小。

图二 一种型号水泵的流量——负载曲线
上面的一条曲线是阀门控制时电动机功率和流量的关系，下面一条是调速控制时的电动机功率和流量的关系，在同一流量的垂直线上两条曲线的差值就是可以节能的数量，从两条曲线明显可以看出，在流量接近100%也就是接近满载时，采用调速控制并不能节能，甚至有可能还因为调速设备的用电而多耗能；而当流量在满载的90%以下时明显可以节能，流量越小节能越明显。


三、变频控制柜一拖多应用特征
在水泵多机应用中，传统控制压力或液位的方法是将多台水泵全部运行，并通过调节阀、档板之类来调节，最终达到压力或液位的控制要求。由于所有的水泵都是全速运行，耗电严重且控制频繁，尤其是在加一台太多、减一台太少的情况下。因此，对于多台水泵使用一拖多变频控制是非常理想的。具体示意图如下。

图三 变频控制柜一拖四运行示意图
四、四用一备水泵机组的变频控制柜使用示意图


五、使用变频控制柜后的优点
1、节能：控制品质大为提高，节能效果明显。
2、节水：根据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：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。
4、 控制灵活：变频/工频工作方式选择，自动控制成一台调速、另几台或全速或停止的方式。