专用变频器在恒压供水装置中的应用

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摘要：自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。

　　关键词：变频 调速 恒压 供水 调速 系统

　　一、回顾

　　一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

　　自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。

　　新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。

　　目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发`智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

　　在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。

　　二、变频控制恒压供水控制方式

　　众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即N=KN3N：为水泵消耗功率；n：为水泵运行时的转速；K为比例系数。而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于命名用了变频技术及微机技术有微机控制，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%.

　　目前国内各厂家生产的供水设备电控柜，除采用落后继电接触器控制方式外，大致有以下四类：

　　逻辑电子电路控制方式：

　　这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱。但成本较低。

　　单片微机电路控制方式：

　　这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。

　　带PID回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式：

　　该方式变频器的作有是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

　　由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来计时，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

　　新型变频调速供水设备：

　　针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的G11S/P11S系列产品；等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。

　　三、供水专用变频器的功能

　　供水专用变频器=普通变频器+PLC，是集供水控制和供水管理一体化的系统。内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力的需要。也可设定指定日供水压力控制。面板可以直接显示压力反馈值（Mpa）。

　　系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”（适用泵容量不用场合）2种水泵关闭顺序。变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。灵活配置常规泵、消防泵、排污泵、休眼泵，便于实现供水泵房全面自动化。工作泵与备用泵不固死，可自动定时轮换。可以有效地防止因为备用泵长期不用时发生的锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。工作小时自动累计功能，方便节能分析和设备状况维护。夜间供水量急剧减少时，可方便指定每日休眼工作的起始/停止时刻，并可设定休眼时的压力给定值。休眼期间，只有休眼水泵工作，变频器只监测管网压力，当压力低于设定压力时，系统自动唤醒。变频泵投入工作，当压力高于设定值时，系统再次进入休眠状态，只有休眠水泵运行。这样，能最大限度地节水节电功效。具有零星停机功能，在用户不用水的情况下会自动停机。故障泵退出功能，水泵出现损坏时，让故障泵自动退出工作。有消防信号外部输入接口，当有火警或消防信号到来时，系统能自动世换到消防模式，有多种消防工作模式可选，主要根据消防和生活管网是否共用，以及进水池是否共用等条件来进行选择。另有消防泵自动巡检功能，定时巡检周期可设定。

　　利用通讯功能，可实现联网控制。便于楼宇自动化和管理。

　　另外还有一些功能，如排污泵控制功能、进水池液位检测及控制、管网超压/欠压保护功能、温差及压差控制、故障自动电话拨号（当供水系统或变频器发生故障时，通过内置的RS232C串行通讯接口，与外接的MODEM设备进行信号连接，自动启动预先设定的电话号码和信息，及时通知设备维护人员进行相应处理，可以方便地实现泵房无人职守运行）。

　　由此可见，供水专用变频器具有强大的功能，能满足供水系统的各种控制方案。若加上小型PLD，就可以满足更复杂的工艺要求。