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專用變頻器在變頻恒壓供水裝置中的應用

一、回顧

      一般規定城市管網的水壓只保證6層以下樓房的用水，其余上部各層均須“提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用傳統的水塔、高位水箱，或氣壓罐式增壓設備，但它們都必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來“提升”水量，其結果增大了水泵的軸功率和能量損耗。

      自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，使我國供水行業的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中得到了很大的發展。隨著電力電子技術的飛速發展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面有著非常重要的意義。

      新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。恒壓供水調速系統的這些優越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發、生產這一高新技術產品。

      目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列化的方向發展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮建設成片開發`智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。

      在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。雖然單泵產品系統設計簡易可靠，但由于單泵電機深度調速造成水泵、電機運行效率低，而多泵型產品投資更為節省，運行效率高，被實際證明是最優的系統設計，很快發展成為主導產品。

二、變頻控制恒壓供水控制方式

      眾所周知，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比。即N=KN3N：為水泵消耗功率；n：為水泵運行時的轉速；K為比例系數。而水泵設計是按工頻運行時設計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于命名用了變頻技術及微機技術有微機控制，因此可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20%，從而大大降低能耗，節能率可達20%-40%.

目前國內各廠家生產的供水設備電控柜，除采用落后繼電接觸器控制方式外，大致有以下四類：

邏輯電子電路控制方式：

      這類制電路難以實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節。往往采用一臺泵固定于變頻狀態，其余泵均為工頻狀態的方式。因此控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調試較麻煩、工頻泵起動有沖擊、抗干擾能力較弱。但成本較低。

單片微機電路控制方式：

      這類控制電路優于邏輯電路，但在應付不同管網、不同供水情況時調試較麻煩，追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。

帶PID回路調節器和/或可編程序控制器（PLC）的控制方式：

      該方式變頻器的作有是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓。壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由PID回路調節器在調節器內部進行運算后，輸入給變頻器一個轉速調節信號。

      由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來計時，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。

新型變頻調速供水設備：

      針對傳統的變頻調供水設備的不足之處，國內外不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品，如華為的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切換卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列產品；富士公司的G11S/P11S系列產品；等等。這些產品將PID調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略微高一點，但功能卻強很多，所以采用帶有內置PID功能的變頻器生產出的恒壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產效率，節省了安裝調試時間。在滿足工藝要求的情況下應優先采用。

三、供水專用變頻器的功能

      供水專用變頻器=普通變頻器+PLC，是集供水控制和供水管理一體化的系統。內置供水專用PID調節器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環控制系統。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調節器輸入口，而壓力設定既可以使用變頻器的鍵盤設定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設定多段壓力運行，以適應供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力控制。面板可以直接顯示壓力反饋值（Mpa）。

      系統供水有兩種基本運行方式：變頻泵固定方式和變泵循環方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵，可選擇“先開先關”和“先開后關”（適用泵容量不用場合）2種水泵關閉順序。變頻泵循環方式最多可以控制4臺泵，系統以“先開先關”的順序關泵。靈活配置常規泵、消防泵、排污泵、休眼泵，便于實現供水泵房全面自動化。工作泵與備用泵不固死，可自動定時輪換。可以有效地防止因為備用泵長期不用時發生的銹死現象，提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。工作小時自動累計功能，方便節能分析和設備狀況維護。夜間供水量急劇減少時，可方便指定每日休眼工作的起始/停止時刻，并可設定休眼時的壓力給定值。休眼期間，只有休眼水泵工作，變頻器只監測管網壓力，當壓力低于設定壓力時，系統自動喚醒。變頻泵投入工作，當壓力高于設定值時，系統再次進入休眠狀態，只有休眠水泵運行。這樣，能最大限度地節水節電功效。具有零星停機功能，在用戶不用水的情況下會自動停機。故障泵退出功能，水泵出現損壞時，讓故障泵自動退出工作。有消防信號外部輸入接口，當有火警或消防信號到來時，系統能自動世換到消防模式，有多種消防工作模式可選，主要根據消防和生活管網是否共用，以及進水池是否共用等條件來進行選擇。另有消防泵自動巡檢功能，定時巡檢周期可設定。

利用通訊功能，可實現聯網控制。便于樓宇自動化和管理。

      另外還有一些功能，如排污泵控制功能、進水池液位檢測及控制、管網超壓/欠壓保護功能、溫差及壓差控制、故障自動電話撥號（當供水系統或變頻器發生故障時，通過內置的RS232C串行通訊接口，與外接的MODEM設備進行信號連接，自動啟動預先設定的電話號碼和信息，及時通知設備維護人員進行相應處理，可以方便地實現泵房無人職守運行）。

      由此可見，供水專用變頻器具有強大的功能，能滿足供水系統的各種控制方案。若加上小型PLD，就可以滿足更復雜的工藝要求。