郑州大学 李永刚 汤文博
安阳建筑设计院 郭东安 张文俊
郑州康达环境设备工程有限公司 李新甫 毛昀锋
摘 要:介绍了使用普传PI-2K变频器的特殊功能解决深水井变频供水系统中出现的零流量潜水电机损坏以及小流量供水节电问题。
关键词:恒压供水 节电 潜水泵 小流量
Abstract: The special functions of Powtran PI-2K inverter to solve two problems of deep well water supply system is introduced．One problem is electric submersible pump damage arising from the zero flow state. Another is the energy saving in low flow water supply state．
Keywords: Constant pressure water supply Energy saving Water-submersible pump Low flow
1 引言
随着变频技术的发展和变频调速器的应用，目前变频器已在许多企事业单位自备井、村镇自来水等系统中得到广泛采用。与传统的水塔供水模式相比，其基建投资和建设周期明显降低，而且对整体系统保护功能也是有目共睹的。但在实际应用中，时常会出现的零流量潜水电机损坏以及小流量供水节电问题。这是急需妥善解决的两个突出问题。
2 解决零流量潜水电机损坏问题
在深水井恒压变频供水系统中，时常因潜水电泵工作在零流量状态而导致电机绕组烧损事故，而且这类事故常常出现在在建工程或新建工程水井变频系统中。我们采用普传PI-2K变频器，可以很好地解决这一问题。
一般深水井变频系统由水井、潜水泵组、变频控制柜、压力传感仪表、管网等几部分构成，见图1系统示意图。对恒压供水系统，变频器输出频率随供水量变化而不断改变，始终调节出水压力恒定。在小流量甚至零流量的条件下，水泵一般均不会停机，而是以较低的频率(小流量频率fL或零流量频率f0)始终运转来维持系统的压力恒定。对于一些新建工程，供水系统常常处于工程建设用水或调试状态，若系统总阀人为关闭或用水为零流量状态，这样潜水电机表面就无水流冷却，就会导致潜水电机的温度不断升高，而一般的深井潜水泵均无过热保护功能，超过一定的温升就会导致烧泵。因此，对于运行过程中可能会存在“零流量”的系统应注意，为防止烧泵故障，应及时关闭变频设备。
从技术和设计的角度，使用普传PI-2K变频器的特殊功能可解决这一问题。零流量状态的产生，一般有两种情况:总阀(误)关闭和实际用水量为零流量。
针对前种情况，可利用普传PI-2K变频器的“管路阻塞”专用功能，通过设定Pr·H10“管路阻塞认定标准”及Pr·H11“系统预警停机选择”两个参数很方便地解决。Pr·H10参数定义为负载电流占变频器额定电流的百分比，设定值应在实际调试时确定;Pr·H11设定为“1”(停止输出)。普传PI-2K变频器的管路阻塞功能的定义为:变频器在PID调节方式下以上限频率运转，其负载电流低于Pr·H10参数设定值时，变频器认定有管路阻塞情况发生。若Pr·H11参数设定为“1”(停止输出)，则变频器立即停止输出，并显示故障信息CHO(管路阻塞)。从图1可知，当总阀(误)关闭时，变频设备运行频率即升至最高频率(上限频率)。若选定“管路阻塞”功能，变频器会自动停机，保护潜水电泵。应注意:压力传感器的安装位置应在总阀至管网间，若安装在水泵与总阀间则不能起到保护作用。
针对后种情况，可利用普传PI-2K变频器的“停机侦测”专用功能，需设定Pr·H12“停机侦测系数”和Pr·H13“启动压力值”两个参数。Pr·H12参数用于调整系统没有用水而使电机停车的标准，例如此系数设定为5%，系统设定压力为0.5 MPa，则停机侦测范围:
0.5 -(5%×0.5)=0.475 MPa
变频器随时在作停机侦测，若反馈压力大于停机侦测范围，则系统认为没有用水，变频器停止输出，潜水泵停机。侦测系数设定越大，系统越容易停机。Pr·H13参数定义为反馈压力占给定压力的百分比，变频器在停止状态下，反馈压力必须低于此参数设定的启动压力时，变频器才能重新启动。如上例若想设定启动压力为0.4 MPa，则Pr·H13应设定为80%。应注意:启动压力值不应大于停机侦测值，否则变频器会频繁启动。该功能对于供水量较小的供水系统和间断用水系统(如临时建筑工地用水)比较适宜。但若供水量与用水量接近，且系统没有一定容量的调节设备(如压力水罐)，设备会频繁启停，管网压力时高时低，影响设备寿命及用户使用效果。下面要介绍的小流量节电问题会给出详细的解决方案。
3 解决小流量节电问题
在传统的井水变频恒压供水系统中，不管用水量大小怎样变化，水泵均不会停机，这样对高峰低峰用水量变化较大的生活供水系统，会存在小流量运行状态不节电甚至浪费的问题。图2为离心泵变频调速的特性曲线[1]，理论上，各特性曲线与抛物线OA和OB相交区域为高效工作区即AOB扇形区;实际上，当调速范围过大时，水泵自身的效率将急剧降低，当转速降至nmin≈60% n0时，高效区实际已不存在，即真正的高效区应为图中AJB包围的阴影扇形区。
实际上，当潜水泵转速降至70%以下时，水泵泵送效率即很低，水泵吨水耗电量就较高。而生活供水系统的特点是早上、中午、晚上三个用水高峰段(约8个小时)用水量较大，其余时段(约16个小时)用水量均比较小，其中将近有10个小时用水量很小，因此如何解决变频供水系统小流量状态的耗电问题至关重要。
对较大的生活小区二次加压供水系统，宜采用大小泵组匹配的高效变频供水方案[2]。对深水井变频供水系统，由于不存在采用小泵匹配问题，对改造项目可利用原有设备如气压水罐或水塔作为小流量调节用，对新上项目建议增加调节用气压水罐。如图3所示，变频控制柜采用西门子LOGO-230RC可编程控制器作为小流量程序控制用;变频器采用普传PI-2K型，具有内部PID功能，无需外加PID调节器;压力传感仪表选用TNTZ150型耐震远传压力表，由于PI-2K变频器具有Pr·H15“低压到达值”检测功能，故无需再配液位传感器或电接点压力表。
系统的控制线路如图4示，系统具有手动工频和自动变频两种功能。自动变频供水模式下，当系统用水量较大时，变频器控制潜水泵恒压供水，随着用水量减小，变频器输出频率逐渐降低，当频率降至设定的小流量频率时，系统自动关闭变频器输出，进入小流量省电供水状态。当系统压力降至设定的“低压到达值”时，变频器重新工作，系统恢复变频恒压供水模式。变频器的主要参数设定详见附表，可编程LOGO-230RC的程序比较简单，在此不再赘述。
附表 变频器主要参数设定表
序号 功能描述 范 围 设定值 说 明
F01 运行控制方式 0-2 1 端子控制
F02 频率设定模式 0-7 6 PID调节
H01 PID调节方式 0-1 0 负反馈
H02 反馈信号选择 0-2 0 0-10 V
H03 压力给定信号选择 0-4 3 键盘输入
H04 键盘给定压力值 0.0-100.0% 0-100 依需要设定
H05 比例增益P 0.1-100.0 10-70 现场整定
H06 积分时间I 0.1-100.0 2-7 现场整定
H12 停机侦测系数 0-20% 0 侦测不动作
H13 启动压力值 30-100% 99 大于H15值
H15 低压到达值 0-100% 50-85 调试确定
H16 传感器最大量程 1.0-99.0 1.0-99.0 仪表量程
E01 输出信号选择1 0-15 3 频率到达
E02 输出信号选择2 0-15 14 低压力到达
E12 频率水平检测1 0.0-400 ~30 调试确定
E13 频率水平检测2 0.0-400 ~35 大于E12值
4 结束语
目前市场上变频器品牌繁多，而且各变频器厂家针对不同的负载及应用场合开发了各种专用变频器，为广大使用者提供了较大的选择空间，用户在使用时应详细了解所选变频器的功能特点，合理应用其特殊功能，简化变频系统的设计。
参考文献
[1] 谷晋龙．水泵调定混合给水系统运行工况分析. 给水排水，1997，23(12)
[2] 李永刚，等．几种变频供水设备的应用与控制. 给水排水，2001，27(9)
[3] 普传变频调速器PI-2000系列使用说明书
作者简介
李永刚(1967-) 男 郑州大学工学院讲师，郑州康达环境设备工程有限公司总工。
