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摘要：文章详细介绍了水泵出口变压力控制的原理和ACS510变频器中的实现方法。
关键词：恒压供水 变压力控制 ACS510系列变频器
引言
目前，应用最广泛的变频恒压供水系统是水泵出口压力恒定系统，其工作原理是在水泵出水口安装压力传感器，将测定的压力值转换成电信号输入压力控制器，压力控制器根据设定压力值与测定压力之间的差值，通过PI调节运算后，控制变频器，调节水泵的转速，使水泵出口压力保持恒定。
这种控制系统电控部分较简单，国内外采用广泛。缺点是仍有小量能量浪费且不能反映水流通过给水管网时，管网阻力持性的变化。所以当用水低峰时，虽然由于转速的改变水泵扬程能保持恒定不再升高，但管道最末端的出口水压将高于其所需的流出水头。
采用泵出口变压力控制系统，则可解决以上的不足，即泵出口的设定压力随用水量的变化而变化，使管道最末端的出口水压恒定在其所需的流出水头。
ABB公司的ACS510系列变频器是专为风机、水泵控制系统设计的，其中参数“给定增量8103、8104和8105”可完成泵出口变压力控制功能。
一． 管道阻力和流量对管道最末端的出口水压的影响
1．关于水泵的扬程说明[1]
图1是一个水泵供水的例子。
图1 水泵供水的例子。
如图1，水泵把水从吸水井里抽出来送到沉淀池的过程中，做了哪些工作呢？
第一、要把水头提高到2.3十2.7十8.5＝13.5米的高度。这个高度是由于地形的高度引起的，我们叫它为地形扬程H0。
第二、要克服所有管道的阻力。设图2中管道，在流量为400米3/时，有9米的管道阻力。这9米的阻力我们叫它为阻力扬程Hr。
第三、当水流进沉淀池之前，为了让水流出来，需要有一定的压力，要额外加上2~5米水头。我们叫它为出口扬程Hd。
因此水泵需要提供的总扬程是：
水泵的总扬程H＝地形扬程H0十阻力扬程Hr十出口扬程Hd
如果。我们把管道出口处的出口扬程取为2米，代入上式
则 水泵的总扬程＝13.5十9十2＝24.5米
即水泵必须把水从吸水井的水面上抬高24.5米．则每小时才能流出400吨水。
从上面讨论可以看出，地形扬程H0不随流量的变化而变化，称为净扬程，而阻力扬程Hb随流量Q的变化而变化且与流量Q的平方成正比，即Hb=KQ2。出口扬程也就是供水系统的末端的出口扬程，所以水泵的总扬程H可用以下公式表示
H=H0+KQ2+Hd
其中：H为水泵总扬程；H0为地形扬程；Q为流量；K为比例系数（常数）；Hd为出口扬程
2．水泵出口压力恒定系统中流量Q对出口扬程Hr的影响
图2 单台变频泵系统出口压力恒定控制运行特性图
图2中H0是水泵进出口水位的高度差（地形扬程），也就是水泵的净扬程H0。水泵的扬程只有大于净扬程时才能出水。因此管网阻力曲线的起始点就是该净扬程的高度。
H1为泵出口压力的设定值。
设当前管道的阻力曲线为R1，变频器的频率为n1，则泵的工作点为A，即泵工作在扬程为H1、流量为Q2的点。此时，管道的阻力扬程为Hr2，管道出口扬程为Hd2，即H1=H0+Hr2+Hd2；如果系统用水量减少，由于压力闭环的控制，则变频器转速下降，泵的工作点由A变到B点，即此时泵工作在扬程为H1、流量为Q1的点上。此时，管道的阻力扬程为Hr，管道出口扬程为Hd，即H1=H0+Hr+Hd。由于工作点A和工作点B的水泵出口压力H1和地形扬程H0不变，所以，Hr与Hd的和为恒值，但由于管道阻力扬程与流量的平方成正比，所以，随着流量的下降，管道出口压力会快速上升。
由以上的分析过程可以看出，在这种泵出口压力恒定的变频恒压供水系统中，在小流量时，管道出口扬程可能会超出所需的流出水头。
二． 水泵出口变压力控制系统
为了减小流量变化对管道出口压力的影响，我们可以采用变压力控制方案。
图3 变频泵系统出口变压力控制运行特性图
图3中H0是水泵进出口水位的高度差（地形扬程），也就是水泵的净扬程H0。水泵的扬程只有大于净扬程时才能出水。
H1为大流量时泵出口压力的设定值，H2为小流量时泵出口压力的设定值，。
设当前管道的阻力曲线为R1，变频器的频率为n1，则泵的工作点为A，即泵工作在扬程为H1、流量为Q2的点。此时，管道的阻力扬程为Hr2，管道出口扬程为Hd2，即H1=H0+Hr2+Hd2；当系统用水量减少，将泵出口压力的设定值减少到H2，则泵的工作点由A变到B点，即此时泵工作在扬程为H2、流量为Q1的点上。此时，管道的阻力扬程为Hr，管道出口扬程为Hd，即H2=H0+Hr+Hd。如果想保证管道出口压力Hd不变，则H1-H2=Hr2-Hr。即只要设定压力下降的幅度与阻力扬程下降的幅度相等时，即可保证管道出口压力的不变。而且由于设定压力的下降，还可以使供水系统更加节能。
三． ACS510中的变压力控制部分参数设置
在多台并联泵供水系统中，随着泵的运行数量的增加，流量会成倍的增大，管道阻力会迅速增高。如果随着流量的变化，增减恒压控制系统的设定压力，做到小流量小压力，大流量大压力，则可以最大限度的较少管道阻力对管道出口压力的影响，并且提高了节能比例。ABB公司的ACS510系列变频器就提供了上述功能。
在ACS510中，参数8103、8104、8105是给定增量参数，他们的作用是每多开启一台辅机泵，就在原来的给定值上叠加一个增量。
示例[2]: ACS 510 控制7 台并联的水泵为管道供水，保持管道压力恒定。
由参数4011（内部设定值） 设定恒定压力给定，控制管网压力。
用水量比较小时，只有调速泵运转。
随着用水量增加，起动辅助泵恒速运行，先起动第一台，如果用水量仍在增加，起动第二台。
随着水流量的增加，管道的首端(测量点)和末端的压力差也在增加。随着辅泵依次起动，给定增量需要按照下面方法设定，来弥补增加的压力差，补偿了管道末端压力的下降。
当第一台辅泵运行，给定增量为参数8103（给定增量1）。
当两台辅泵运行，给定增量为参数8103（给定增量1）加上参数8104（给定增量2）。
当三台辅泵运行，给定增量为参数8103（给定增量1）加上参数8104（给定增量2）加上 8105（给定增量3）。
当四台辅泵运行，给定增量为参数8103（给定增量1）加上参数8104（给定增量2）加上 2 * 参数8105（给定增量3）。
当五台辅泵运行，给定增量为参数8103（给定增量1）加上参数8104（给定增量2）加上3 * 参数8105 （给定增量3）。
当六台辅泵运行，给定增量为参数8103（给定增量1）加上参数8104（给定增量2）加上4 * 参数8105（给定增量3）。
四． 结束语
本文介绍的水泵出口变压力控制系统，改进了现在广泛应用的恒压供水系统的一些缺点，减小了管道末端出口压力的波动，且提高了节能比例。在实际工程中有一定的应用价值。
[参考文献]
1．许保玖. 管道和水泵简易计算法. 北京：中国建筑工业出版社
2．ABB公司. ACS510-01变频器用户手册. ABB公司