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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，供水問題成為業(yè)主比較關(guān)心的問題，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)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了設(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(hào)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(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)置了能量優(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)開始分析電機(jī)的功率消耗。然后開始微小地升高或降低變頻器的輸出電壓來搜索最佳頻率，即最低的功率消耗。如果ECO變頻器檢測出在升高電機(jī)電壓時(shí)，功率消耗增加了，則變頻器的控制策略（能量優(yōu)化控制程序）就開始降低電機(jī)電壓，以搜索最低的功率消耗水平，如果檢測出在降低電機(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，開成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程。若設(shè)定恒壓值為Y0，過程壓力值為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，從而開成一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡過程，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

    在智能建筑中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。變頻增壓泵調(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。在給水系統(tǒng)中，用水管式傳感器檢測水泵輸出管網(wǎng)壓力，在現(xiàn)場控制器與設(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。