变频器在智能建筑中管网叠压给水设备的应用分析

 

     随着科学技术的迅猛发展，电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的不断进步，又因为变频器所具有的高效率性能和良好的控制特性，目前在交流电动机的速度控制中较多采用。使用变频器一个突出的优点就是节省能源，而且通过发挥其理想的控制特性，设备使用性能可以大幅提高。在智能建筑中，生活恒压给水在节能和可靠性方面要作具体分析，从而选择更合理控制方式。本文介绍了西门子变频器在在智能建筑中管网叠压给水方面的应用，对变频器的设计和使用特点做了详细阐述。

一，管网叠压给水设备概述

    在智能建筑日益增多的今天，供水问题成为业主比较关心的问题，所以管网叠压给水设备自动供水便提上了日程。以前在一般建筑的建设中往往需要建设一个二次加压供水泵房并采用变频器实现恒压自动供水。一般情况下，管网叠压给水设备自动控制系统通过压力传感器采集管网中的压力并将其转换成模拟信号进行变频控制。这样管网叠压给水设备直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，为局部加压供水开辟了新的途径。另外由于水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。与可编程控制器结合使用，可实现循环变频，电机软启动，具有欠压保护、过压保护、短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。

 

    管网叠压给水设备系统为可编程控制的变频水压控制系统。系统采用可编程控制器（PLC），可实现手动开环调节、自动闭环调节、远方控制及本地控制。每台电机设置单独的控制面板，具有水压显示、频率显示、工作状态显示功能，变频器故障、可编程控制器故障，可实现声光报警。变频调速器采用西门子公司产品，可实现电机的平滑调节，变频调速器加装交流电抗器及直流电抗器，确保变频调速器电源侧谐波分量小于5%。

 

二，变频控制管网叠压给水设备分析

    大家知道，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即N=KN3

    N：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， 终将达到节能的目的。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%。

 

    变频器的作用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。

 

三，管网叠压给水设备变频器选用原则

    变频器是中赢公司推出的用于风机、水泵等设备调速节能运行的专用变频器。其主要特点是：

    ⑴变频器安装调试容易，维护和运行费用低。由于变频器的特定功能使其产品的成本降至较小，价格便宜，降低了整套系统的成本。

    ⑵变频器能够准确地跟随设定点，可使系统有更好的性能。

    ⑶内置PID调节采用了标准比例、积分、微分控制的闭环过程控制，并为反馈传感器提供了标准电源。

    ⑷在运行噪声的控制方面采用了自动开关频率优化，从而降低电机运行时的噪声。

    ⑸变频器针对风机、水泵节能运行的需要，设置了能量优化控制程序，为在运行中搜寻较小能量消耗点，自动升高和降低电机电压。当电机达到稳定点的速度（即加速过程结束时）时通用变频器即在这个速度下运行，而变频器此时开始分析电机的功率消耗。然后开始微小地升高或降低变频器的输出电压来搜索较好频率，即较低的功率消耗。如果变频器检测出在升高电机电压时，功率消耗增加了，则变频器的控制策略（能量优化控制程序）就开始降低电机电压，以搜索较低的功率消耗水平，如果检测出在降低电机电压时，功率消耗增加，则升高电机电压。这样就可搜寻到效率较高，功率消耗较小点并在此处运行。用这种优化节能程序（典型）可节约2%～5%的额定容量的电能。

    ⑹在选择变频器时，不能用它驱动额定功率比它大或者额定功率不足其一半的电机，否则会影响变频器的性能甚至造成损坏。

 

四,管网叠压给水设备控制系统详解

    为了保持供水系统水压的基本恒定，需要变频器根据给定的压力信号与管网水压的反馈信号进行比较，以调节水泵的转速，达到供水、水压恒定的目的。

    当管网叠压给水设备系统处于自动调节状态时，自动控制指示灯亮，系统进入自动控制状态。系统由管网水压传感器作为系统的反馈信号，反馈信号采用4-20mA电流信号，恒压值的设定可在可编程控制器（PLC）中人为设定，通过使用变频器内部的PID控制功能，启动水泵作变频调节运行，并达到恒定的压力值，开成一个动态平衡过程。若设定恒压值为Y0，过程压力值为Yi，当用水量增加Yi＜Y0时，则变频器输出频率上升，转速提高，供水量增大，仍达到恒定的设定压力值，从而开成一个新的动态平衡过程，实现系统的自动控制功能。

 

    管网叠压给水设备系统也可进行手动开环调节运行。如管网水压传感器出现故障时，人为将手动/自动开关置于手动位置，系统处于手动调节状态，手动控制指示灯亮，可在控制面板实现频率（液位）手动设定，并变频启动水泵。如所需水压值低于实际水压值时，可人为调整变频调速器的输出频率，达到所需的恒压值。

 

六,管网叠压给水设备结语

    在智能建筑中管网叠压给水设备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。在给水系统中，用水管式传感器检测水泵输出管网压力，在现场控制器与设定值比较，比较后去控制变频器的输出频率，达到控制水泵转速的目的。如给水管网用户用水量增多，管网压力减少，控制器控制变频器输出频率增加，水泵转速随着增加，增加供水量以满足用户的需求。如给水管网用户用水量减少，管网压力增大，控制器控制变频器输出频率降低，水泵转速随着减少，减少供水量，从而达到节能的目的。