變頻調(diào)速技術(shù)在消防給水設(shè)備中的應(yīng)用探討
變頻調(diào)速技術(shù)在消防給水設(shè)備中的應(yīng)用探討
1 傳統(tǒng)水泵控制技術(shù)的弊端
在傳統(tǒng)的水泵控制方式中，靠調(diào)節(jié)出口或人口閘閥方式來進(jìn)行，人為增加管網(wǎng)阻力達(dá)到變化流量和壓力的目的。因此，在控制過程中，流程阻力損失相應(yīng)增加，而此時(shí)水泵的特性曲線不變，葉片轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)輸入功率并無減少，而是白白地?fù)p失在調(diào)節(jié)過程中。經(jīng)測算，當(dāng)水泵的流量由100％降到50％時(shí)，若分別采用調(diào)節(jié)出口和人口閥門的方式，則電機(jī)的輸入功率分別為額定功率的84％和60％，而水泵的軸功率僅為12.5％，即損失功率分別為71.5％和47.5％。這說明不采用先進(jìn)的控制措施，即使水泵的設(shè)計(jì)效率為100％，其實(shí)際的運(yùn)行效率可能只有百分之十幾或更低。傳統(tǒng)的控制方式，造成水泵長期處于高速、滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，因此維護(hù)工作量大，設(shè)備壽命低，并且運(yùn)行現(xiàn)場噪聲大，影響環(huán)境。
2 變頻調(diào)速技術(shù)的原理
變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水泵節(jié)能和恒壓供水領(lǐng)域。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系，即均勻改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動(dòng)機(jī)輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。
眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即P=Kn3.其中P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)。變頻調(diào)速和智能控制技術(shù)，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。用閥門控制水泵流量時(shí)，部分有功功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。如果采用降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行控制，就避免了消耗在閥門的有功功率。這樣，在轉(zhuǎn)運(yùn)同樣流量的情況下，僅需要輸入較低的功率，獲得節(jié)能效果。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。
3 變頻調(diào)速技術(shù)用于消防給水系統(tǒng)的控制方式
3.1繼電接觸器控制方式
這是最簡單的一類控制方式。根據(jù)工藝或外界條件的變化，依靠傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)，采用繼電接觸器來控制水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)速目的。
3.2邏輯電子電路控制方式
這類控制電路往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。控制方式較為先進(jìn)，但難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)。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，且工頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但系統(tǒng)成本較低。系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)消防管網(wǎng)壓力降至某一規(guī)定值（低限值）時(shí)，由壓力傳感器發(fā)出信號(hào)自動(dòng)開啟穩(wěn)壓泵對(duì)管網(wǎng)補(bǔ)水加壓，當(dāng)壓力升至另一規(guī)定值（高限值）時(shí)自動(dòng)停泵。根據(jù)需要系統(tǒng)可設(shè)置消防中心聯(lián)動(dòng)接口，當(dāng)消防中心發(fā)出火警信號(hào)或按動(dòng)消火栓按鈕，電控柜自動(dòng)開啟消防主泵進(jìn)行滅火。
3.3單片機(jī)電路控制方式
這類控制電路優(yōu)于邏輯電子電路，但在不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)調(diào)試較麻煩。因系統(tǒng)程序預(yù)先固化于芯片中，需要追加功能時(shí)，就要對(duì)電路進(jìn)行修改，重新刷新設(shè)置程序，不靈活也不方便，控制電路的可靠性和抗干擾能力也不高。
筆者參與研制的ZBW系列微機(jī)控制全自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的電路控制原理圖與系統(tǒng)圖。系統(tǒng)通過高性能單片機(jī)控制變頻調(diào)速器拖動(dòng)多臺(tái)水泵，逐臺(tái)變頻調(diào)速啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)恒壓供水。變頻穩(wěn)壓泵由具有恒壓供水控制功能的變頻器控制運(yùn)行。平時(shí)無火警時(shí)，由變頻穩(wěn)壓泵向消防管網(wǎng)充水穩(wěn)壓，使系統(tǒng)隨時(shí)能夠滿足消防給水要求。當(dāng)管網(wǎng)充水穩(wěn)壓到設(shè)定恒壓，穩(wěn)壓泵流量趨近于零并維持一段時(shí)間（時(shí)間通過程序可控制）后，變頻穩(wěn)壓泵自動(dòng)停泵，進(jìn)入等待狀態(tài)，由貯能罐維持穩(wěn)壓。當(dāng)管網(wǎng)壓力下降至某一設(shè)定的壓力值時(shí)，變頻穩(wěn)壓泵自動(dòng)啟動(dòng)恢復(fù)恒壓穩(wěn)壓。當(dāng)系統(tǒng)接收到火災(zāi)信號(hào)后，由單片機(jī)控制主消防泵（可以根據(jù)需要為一臺(tái)或數(shù)臺(tái)）依次工頻啟動(dòng)，以提供額定的消防流量和壓力。在主消防泵已投入運(yùn)行的情況下，如管網(wǎng)壓力不足，由單片機(jī)控制備用消防泵自動(dòng)投入，以滿足消防用水流量要求。通過與消防控制中心聯(lián)網(wǎng)，可按設(shè)計(jì)程序進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)巡檢，從而實(shí)現(xiàn)消防聯(lián)動(dòng)控制功能。
自來水管網(wǎng)壓力一般是周期性變化的，其壓力變化可以用時(shí)間t為變量的函數(shù)P（t）來表示。若用戶需要水壓為Pv，各個(gè)時(shí)間段需要補(bǔ)充的壓力不同，其函數(shù)式為Py-P（t），也以時(shí)間t為變量的函數(shù)。當(dāng)P（t）Py時(shí)，系統(tǒng)不需補(bǔ)壓，處于停泵狀態(tài)。但當(dāng)P（t）很小時(shí)，為避免因負(fù)壓引起管網(wǎng)破壞，此時(shí)也不能進(jìn)行補(bǔ)壓。當(dāng)P（t）很大時(shí)，系統(tǒng)也因超高壓停泵。根據(jù)如上原理要求，研發(fā)設(shè)計(jì)了本設(shè)備。在設(shè)備的能量調(diào)節(jié)儀上設(shè)置4個(gè)壓力值，分別為Pm、Pn、Pv、Px（數(shù)值可根據(jù)用戶和管網(wǎng)情況設(shè)定）。Pm為超低壓停泵壓力點(diǎn)；Pn為有壓啟泵壓力點(diǎn)；Pv為用戶所需要壓力點(diǎn)；Px為超壓停泵壓力點(diǎn)。設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，能量調(diào)節(jié)儀自動(dòng)監(jiān)測自來水管網(wǎng)壓力變化，并控制設(shè)備在不同的狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)自來水管網(wǎng)壓力P（t）達(dá)到Pn時(shí)（P1點(diǎn)），設(shè)備自動(dòng)開機(jī)，水泵在變頻狀態(tài)下運(yùn)行，壓力被補(bǔ)充；隨著管網(wǎng)壓力的變化，當(dāng)P（t）升至Pv時(shí)（P2點(diǎn)），設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，由管網(wǎng)直接向用戶供水；當(dāng)管網(wǎng)壓力波峰過后，壓力降至Pv時(shí)（P3點(diǎn)），設(shè)備又自動(dòng)開機(jī)補(bǔ)壓；當(dāng)管網(wǎng)壓力繼續(xù)向波谷下降至Pm時(shí)（P4點(diǎn)），設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，以避免破壞管網(wǎng)和污染水質(zhì)。
系統(tǒng)中，水泵起到對(duì)自來水補(bǔ)壓的作用，以滿足用戶對(duì)供水壓力的需求。貯能罐能接收并貯存自來水管網(wǎng)的能量，還能起到在啟泵時(shí)減輕對(duì)管網(wǎng)影響的作用。壓力傳感器用于接收用戶管網(wǎng)壓力信息，控制水泵轉(zhuǎn)速。能量調(diào)節(jié)儀接收自來水管網(wǎng)的壓力信息，調(diào)節(jié)控制水泵充分利用管網(wǎng)能量，避免對(duì)管網(wǎng)的破壞和影響。控制柜用于接收壓力傳感器的信息并經(jīng)處理后控制水泵的啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)速。其中，能量調(diào)節(jié)儀是設(shè)備的核心部件，它本身自帶3個(gè)可隨意設(shè)定的壓力值，與自來水管網(wǎng)的壓力值相交時(shí)便產(chǎn)生了4個(gè)壓力點(diǎn)。能量調(diào)節(jié)儀將時(shí)刻監(jiān)測管網(wǎng)的壓力情況。每監(jiān)測到一個(gè)壓力點(diǎn)都做出相應(yīng)的判斷，并將判斷結(jié)果傳輸給微機(jī)變頻控制系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)壓的目的。設(shè)備的啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)及管網(wǎng)的沖擊很小。由于該設(shè)備不設(shè)儲(chǔ)水池而是直接并聯(lián)于管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)壓，減少了污染，降低了能耗。
3.4帶比例積分微分（PID）控制器和／或可編程序邏輯（PLC）控制器的控制方式該方式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，從而使輸出水壓連續(xù)變化。其中，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)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)，也可以將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送人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)。在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)，調(diào)速器的控制可以自動(dòng)，也可以手動(dòng)。變頻器的加速和減速可根據(jù)要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制精度高。
3.5變頻器內(nèi)部集成控制方式此種控制方式將PID、PLC的功能都以集成方式綜合到變頻器內(nèi)，形成了面向控制和應(yīng)用的新型變頻器。由于PID運(yùn)算預(yù)先固化在變頻器內(nèi)部，省去對(duì)PLC的設(shè)計(jì)和對(duì)PID的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易。內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器采甩了優(yōu)化算法，所以水壓調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。
同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。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，能夠降低設(shè)備成本，并節(jié)省安裝調(diào)試時(shí)間。
此外，針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，有些產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了變頻調(diào)速和智能控制技術(shù)，因此多電平直接高壓變頻器、模糊控制器等器件得到了應(yīng)用。如利用多電平直接高壓變頻器，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的功率輸入和輸出、高功率因數(shù)和不間斷運(yùn)行。采用模糊控制器會(huì)最大限度地適應(yīng)被控對(duì)象的復(fù)雜性，達(dá)到控制精度高、響應(yīng)快、控制規(guī)律簡單的目的。
4 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于消防給水系統(tǒng)
（1）有消防信號(hào)外部輸入接口。當(dāng)有火警或火災(zāi)信號(hào)到來時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切換到火災(zāi)狀態(tài)；
（2）設(shè)計(jì)有系統(tǒng)自動(dòng)巡檢功能，定時(shí)巡檢周期可根據(jù)需要設(shè)定；
（3）便于靈活配置常規(guī)泵、消防泵及其他功能泵，便于實(shí)現(xiàn)供水泵房全面自動(dòng)化；
（4）工作泵與備用泵不固定，可自動(dòng)定時(shí)輪換，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；
（5）故障自動(dòng)電話撥號(hào)功能。當(dāng)供水系統(tǒng)或變頻器發(fā)生故障時(shí)，通過內(nèi)置串行通訊接口，與外接MODEM設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接，自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)先設(shè)定的電話號(hào)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)泵房無人值守運(yùn)行；
（6）可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，便于實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化管理。
變頻調(diào)速技術(shù)用于消防給水系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)甩水量的變化自動(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消防用水要求。與傳統(tǒng)消防給水方式相比，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。
變頻調(diào)速技術(shù)用于水泵控制系統(tǒng)，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行工藝安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。可以說變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。
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