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在智能高樓高層中變頻增壓泵的應(yīng)用分析

    隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的不斷進(jìn)步，又因?yàn)樽冾l器所具有的高效率性能和良好的控制特性，目前在交流電動(dòng)機(jī)的速度控制中較多采用。使用變頻器一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)省能源，而且通過(guò)發(fā)揮其理想的控制特性，設(shè)備使用性能可以大幅提高。在智能建筑中，生活恒壓給水在節(jié)能和可靠性方面要作具體分析，從而選擇更合理控制方式。本文介紹了西門(mén)子ECO變頻器在在智能建筑中恒壓供水方面的應(yīng)用，對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)做了詳細(xì)闡述。

一、概述

    在智能建筑日益增多的今天，供水問(wèn)題成為業(yè)主比較關(guān)心的問(wèn)題，所以變頻增壓泵自動(dòng)供水便提上了日程。以前在一般建筑的建設(shè)中往往需要建設(shè)一個(gè)二次加壓供水泵房并采用變頻器實(shí)現(xiàn)變頻增壓泵恒壓自動(dòng)供水。一般情況下，變頻增壓泵恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器采集管網(wǎng)中的壓力并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)進(jìn)行變頻控制。這樣變頻增壓泵直接取代水塔、高位水箱及傳統(tǒng)的氣壓罐供水裝置，為局部加壓供水開(kāi)辟了新的途徑。另外由于水泵耗電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省40％。與可編程控制器結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)變頻，電機(jī)軟啟動(dòng)，具有欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

    本變頻增壓泵為可編程控制的變頻水壓控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC），可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)、自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)方控制及本地控制。每臺(tái)電機(jī)設(shè)置單獨(dú)的控制面板，具有水壓顯示、頻率顯示、工作狀態(tài)顯示功能，變頻器故障、可編程控制器故障，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。變頻調(diào)速器采用西門(mén)子公司產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速器加裝交流電抗器及直流電抗器，確保變頻調(diào)速器電源側(cè)諧波分量小于5%。

二、變頻增壓泵變頻控制恒壓供水分析

    大家知道，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即N=KN3

    N：為水泵消耗功率；n：為水泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速；K為比例系數(shù)。而水泵設(shè)計(jì)是按工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的，但供水時(shí)除高峰外，大部分時(shí)間流量較小，由于命名用了變頻技術(shù)及微機(jī)技術(shù)有微機(jī)控制，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)20%-40%。

    變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。

    由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來(lái)計(jì)時(shí)，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(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鞯某杀緵](méi)有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個(gè)PID回路調(diào)節(jié)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(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

三、變頻增壓泵ECO變頻器選用原則

    ECO變頻器是SIEMENS公司推出的用于風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的專用變頻器。其主要特點(diǎn)是：

    ⑴ECO變頻器安裝調(diào)試容易，維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低。由于變頻器的特定功能使其產(chǎn)品的成本降至最小，價(jià)格便宜，降低了整套系統(tǒng)的成本。

    ⑵ECO變頻器能夠精確地跟隨設(shè)定點(diǎn)，可使系統(tǒng)有更好的性能。

    ⑶內(nèi)置PID調(diào)節(jié)采用了標(biāo)準(zhǔn)比例、積分、微分控制的閉環(huán)過(guò)程控制，并為反饋傳感器提供了標(biāo)準(zhǔn)電源。

    ⑷在運(yùn)行噪聲的控制方面采用了自動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化，從而降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲。

    ⑸ECO變頻器針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能運(yùn)行的需要，設(shè)置了能量?jī)?yōu)化控制程序，為在運(yùn)行中搜尋最小能量消耗點(diǎn)，自動(dòng)升高和降低電機(jī)電壓。當(dāng)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的速度（即加速過(guò)程結(jié)束時(shí)）時(shí)通用變頻器即在這個(gè)速度下運(yùn)行，而ECO變頻器此時(shí)開(kāi)始分析電機(jī)的功率消耗。然后開(kāi)始微小地升高或降低變頻器的輸出電壓來(lái)搜索最佳頻率，即最低的功率消耗。如果ECO變頻器檢測(cè)出在升高電機(jī)電壓時(shí)，功率消耗增加了，則變頻器的控制策略（能量?jī)?yōu)化控制程序）就開(kāi)始降低電機(jī)電壓，以搜索最低的功率消耗水平，如果檢測(cè)出在降低電機(jī)電壓時(shí)，功率消耗增加，則升高電機(jī)電壓。這樣就可搜尋到效率最高，功率消耗最小點(diǎn)并在此處運(yùn)行。用這種優(yōu)化節(jié)能程序（典型）可節(jié)約2%～5%的額定容量的電能。

    ⑹在選擇ECO變頻器時(shí)，不能用它驅(qū)動(dòng)額定功率比它大或者額定功率不足其一半的電機(jī)，否則會(huì)影響變頻器的性能甚至造成損壞。

四、變頻增壓泵控制系統(tǒng)詳解

    為了保持供水系統(tǒng)水壓的基本恒定，需要變頻器根據(jù)給定的壓力信號(hào)與管網(wǎng)水壓的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到供水、水壓恒定的目的。

    當(dāng)變頻增壓泵處于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制指示燈亮，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。系統(tǒng)由管網(wǎng)水壓傳感器作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)，反饋信號(hào)采用4-20mA電流信號(hào)，恒壓值的設(shè)定可在可編程控制器（PLC）中人為設(shè)定，通過(guò)使用ECO變頻器內(nèi)部的PID控制功能，啟動(dòng)水泵作變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行，并達(dá)到恒定的壓力值，開(kāi)成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。若設(shè)定恒壓值為Y0，過(guò)程壓力值為Yi，當(dāng)用水量增加Yi＜Y0時(shí)，則變頻器輸出頻率上升，轉(zhuǎn)速提高，供水量增大，仍達(dá)到恒定的設(shè)定壓力值，從而開(kāi)成一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能。

    此變頻增壓泵也可進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)運(yùn)行。如管網(wǎng)水壓傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，人為將手動(dòng)/自動(dòng)開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置，系統(tǒng)處于手動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，手動(dòng)控制指示燈亮，可在控制面板實(shí)現(xiàn)頻率（液位）手動(dòng)設(shè)定，并變頻啟動(dòng)水泵。如所需水壓值低于實(shí)際水壓值時(shí)，可人為調(diào)整變頻調(diào)速器的輸出頻率，達(dá)到所需的恒壓值。

六、結(jié)語(yǔ)

    在智能建筑中供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。變頻增壓泵調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國(guó)內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。在給水系統(tǒng)中，用水管式傳感器檢測(cè)水泵輸出管網(wǎng)壓力，在現(xiàn)場(chǎng)控制器與設(shè)定值比較，比較后去控制變頻器的輸出頻率，達(dá)到控制水泵轉(zhuǎn)速的目的。如給水管網(wǎng)用戶用水量增多，管網(wǎng)壓力減少，控制器控制變頻器輸出頻率增加，水泵轉(zhuǎn)速隨著增加，增加供水量以滿足用戶的需求。如給水管網(wǎng)用戶用水量減少，管網(wǎng)壓力增大，控制器控制變頻器輸出頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速隨著減少，減少供水量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。