專用變頻器在變頻恒壓供水裝置中的應(yīng)用
專用變頻器在變頻恒壓供水裝置中的應(yīng)用
一、回顧
一般規(guī)定城市管網(wǎng)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(tǒng)的水塔、高位水箱，或氣壓罐式增壓設(shè)備，但它們都必須由水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來“提升”水量，其結(jié)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(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)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(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法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。
目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)`智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。
在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。雖然單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡易可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵型產(chǎn)品投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)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(zhuǎn)速的三次方成正比。即N=KN3N：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%.
目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的供水設(shè)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(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)。往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)有沖擊、抗干擾能力較弱。但成本較低。
單片微機(jī)電路控制方式：
這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)調(diào)試較麻煩，追加功能時(shí)往往要對電路進(jìn)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(diào)節(jié)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(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(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)定信號和壓力反饋信號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。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入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。
由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來計(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)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鞯某杀緵]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)。
新型變頻調(diào)速供水設(shè)備：
針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)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(chǎn)品；富士公司的G11S/P11S系列產(chǎn)品；等等。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容內(nèi)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(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略微高一點(diǎn)，但功能卻強(qiáng)很多，所以采用帶有內(nèi)置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設(shè)備，降低了設(shè)備成本，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間。在滿足工藝要求的情況下應(yīng)優(yōu)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(tǒng)。內(nèi)置供水專用PID調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口，而壓力設(shè)定既可以使用變頻器的鍵盤設(shè)定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設(shè)定多段壓力運(yùn)行，以適應(yīng)供水壓力的需要。也可設(shè)定指定日供水壓力的需要。也可設(shè)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(tǒng)供水有兩種基本運(yùn)行方式：變頻泵固定方式和變泵循環(huán)方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺(tái)泵，可選擇“先開先關(guān)”和“先開后關(guān)”（適用泵容量不用場合）2種水泵關(guān)閉順序。變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺(tái)泵，系統(tǒng)以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵。靈活配置常規(guī)泵、消防泵、排污泵、休眼泵，便于實(shí)現(xiàn)供水泵房全面自動(dòng)化。工作泵與備用泵不固死，可自動(dòng)定時(shí)輪換。可以有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L期不用時(shí)發(fā)生的銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。工作小時(shí)自動(dòng)累計(jì)功能，方便節(jié)能分析和設(shè)備狀況維護(hù)。夜間供水量急劇減少時(shí)，可方便指定每日休眼工作的起始/停止時(shí)刻，并可設(shè)定休眼時(shí)的壓力給定值。休眼期間，只有休眼水泵工作，變頻器只監(jiān)測管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)喚醒。變頻泵投入工作，當(dāng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有休眠水泵運(yùn)行。這樣，能最大限度地節(jié)水節(jié)電功效。具有零星停機(jī)功能，在用戶不用水的情況下會(huì)自動(dòng)停機(jī)。故障泵退出功能，水泵出現(xiàn)損壞時(shí)，讓故障泵自動(dòng)退出工作。有消防信號外部輸入接口，當(dāng)有火警或消防信號到來時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)世換到消防模式，有多種消防工作模式可選，主要根據(jù)消防和生活管網(wǎng)是否共用，以及進(jìn)水池是否共用等條件來進(jìn)行選擇。另有消防泵自動(dòng)巡檢功能，定時(shí)巡檢周期可設(shè)定。
利用通訊功能，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。便于樓宇自動(dòng)化和管理。
另外還有一些功能，如排污泵控制功能、進(jìn)水池液位檢測及控制、管網(wǎng)超壓/欠壓保護(hù)功能、溫差及壓差控制、故障自動(dòng)電話撥號（當(dāng)供水系統(tǒng)或變頻器發(fā)生故障時(shí)，通過內(nèi)置的RS232C串行通訊接口，與外接的MODEM設(shè)備進(jìn)行信號連接，自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)先設(shè)定的電話號碼和信息，及時(shí)通知設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)處理，可以方便地實(shí)現(xiàn)泵房無人職守運(yùn)行）。
由此可見，供水專用變頻器具有強(qiáng)大的功能，能滿足供水系統(tǒng)的各種控制方案。若加上小型PLD，就可以滿足更復(fù)雜的工藝要求。
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