1、工业之家工业之家主讲：雷强YY：115820变频恒压供水简介变频恒压供水简介变频恒压供水简介 变频器在恒压供水中的应用 采用变频调速技术的恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵无级调速，采用PID调节保持供水系统压力恒定以满足用水要求。我们知道，大楼启用最基本的条件就是要有供水系统。自来水厂通过城市输、配水管供水，水压一般在0.4MPa左右，所以五层以下住户直接使用市政管网正常用水是没有问题的。但目前城市除了建普通建筑以外，还要建次高层建筑和高层建筑。相比之下，次高层建筑（特别是住宅）和高层建筑容积率高，经济效益
2、大，更得到市场的青睐。而这类建筑的供水就涉及到供水难的问题。n1.1 常见几种供水方式 一般高层、次高层建筑供水采用以下几种方式：l(1)水池水泵水塔（高位水箱）用水点 以前的单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至水塔（高位水箱），再由其向下供水至各用水点。水塔高位水箱l(2)水池水泵（恒压变频）管网系统用水点 此方式也是集中供水。对于多幢住宅的建筑小区，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。最不利的用水点是顶层住宅。主水泵一般有3-4台，3用一备自动切换，辅助泵为一小流量泵
3、，夜间用水量小时主泵自动切换到辅助泵，以维持系统压力基本不变。变频器恒压供水系统n1.2 经济和社会效益比较 第一种方式采用传统的水塔、高位水箱，楼底水泵将蓄水池的用水打到楼顶水箱，楼顶水箱中的水在利用自身的重力压到用水管道。这是一个很简单的供水模式，它最主要的问题就在于水泵工作时间的控制上面了，刚开始时，专门安排专职人员开关水泵，没水了开泵，水满出来了就关泵。这样做不仅麻烦，还浪费了人力，而且高位水塔的清洗也成问题。第二种方式采用变频恒压供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。各
4、台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样，各台水泵寿命均等。而且，一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。还可减少屋顶水箱的二次污染和保证顶层的供水压力（用热水器压力也没问题）。90年代初，变频器作为一种新兴的电子产品进入中国大陆，生产厂家和工程应用人员就对它发生了浓厚的兴趣，它能对电机进行无级调速而且不改变电机固有的机械特性，在水泵上面的应用得到了最完美的体现。再加上平衡的软启动特性，人们开辟了一个崭新变频恒压供水领域。到了90年代后期，许多地区规定，新建住房上面不能设有水箱，取消原有的水箱供水方式。至此，变频恒压供水系统已经完全成熟，被各个建筑开发商所采用 刚开始变
5、频器只拥有简单的调速功能，而要恒压就必须要做闭环，也就需要PID调节器。还需要PLC（可编程控制器）对水泵使用的台数进行控制，在此情况下，第一，PLC需要专业人员进行编程，第二，PID调节器不是很好调整参数，PID效果总是不尽人意，所以刚开始许多一程设计人员都认为该系统是莫测高深，很难掌握，干脆就放弃不用，这也是造成该供水方式前期得不到快速很好发展的主要原因。随后变频器生产厂家开始解决这些问题，把PID调节器内置到变频器中，而且很好调整，很多系统的PI参数不用做调整直接使用出厂值就可以得到很好的稳定效果，接着就把PLC的功能也通过各种方式内置到变频器中，有的厂家做成备选件插卡的模式，有的厂家则
6、直接推出供水的专用变频器型号，设计使用人员只要设置几个简单的参数就可以实现控制功能。变频恒压供水系统示例 众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即P=Kn3：P 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，由于控制系统采用了变频技术，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。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%。泵的组合方式一般采用最为常见的多泵并联的供水模式，这样不但提高供水系统运行调度的灵活性而且供水的可靠性也会
7、进一步得到保障。我们的设计思维应该是在保证可靠供水的前提下再谈节能问题，所以水泵选择一定要设有备用泵，同时考虑到日后维修方便，尽量采用相同型号的水泵。在变频器的使用搭配上，采用变频、工频混合的配置方式应该是较为经济和实用。该供水系统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
8、调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。当然，随着变频器技术的快速发展，后一种办法更经济、实用。下图是施耐德ATV61 变频器的PID 系统工作原理：以上介绍可见，变频器作为恒压供水系统中的核心驱动元件，有着十分重要的作用，所以在选择变频器的时候，质量和性能就成为选择变频器非常重要的条件，目前市场上供水行业应用的主流变频器为欧美产品，施耐德电气在工业领域有着悠久的历史，新研发的ATV61 是风机水泵应用的最高端产品。下面结合ATV61 变频器特点来介绍施耐德变频器在恒压供水中的应用。3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用 ATV61 是针对工业变转矩而于2006 年3 月推出的一
9、款高性能应用的变频器，功率范围从 0.75KW 直到 800kW；主要应用于工业市场的风机、泵和商用建筑热力、通风、空调暖通（统称HVAC）的专门的风机泵类的高端应用产品。n3.1 ATV61 的基本特点 (1)产品开发用于全球市场，符合主要的标准和国际规范；(2)全中文图形面板，友好的人机界面；(3)操作调试简单，可以采用简单配置的“简单起动”功能，可很好的控制电机；3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用(4)集成了大量的专用功能，以及不同的电机控制类型，ATV61 主要应用在对节能要求较高的风机泵类负载上，因此ATV61 专门具有节能控制方式，可以
10、通过变频器的内部控制（根据负载调整励磁电流）来实现节能的效果；(5)多种宏配置：包括泵和风机、标准起/停、一般应用、PID 调节、网络通讯等5 种宏配置；(6)ATV61 是一个通讯产品，提供多种协议的选项，并标准集成 Modbus and CAN open。3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用n3.2 ATV61 在恒压供水领域的特殊功能 (1)ATV61 变频器标准内置PID 调节器；可以直接接受过程控制中传感器的反馈信号，从而实现过程量的自动控制。此PID 调节功能可以对预设的给定量进行手动自动设置，误差求反，对反馈量进行监测，并具有上下限报警功能；(2)限制流量功能：本功能实现流体
11、的流量限幅，例如在泵的情况下，为实现需要将变频器的某一模拟输入设定为外部流量传感器，通过限制内部速度给定实现流量限制。如果本功能跟PID 调节器一起使用，限制的将是PID 调节器的输出；3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用(3)检测过程欠负荷：a.在空泵或没有灌满水的情况下避免泵的运行；b.仅仅当稳态运行的情况下本功能才能有；c.检测水平,脱扣延时,以及停车模式均可以编程设置。(4)针对流量的信息具有休眠唤醒功能：本功能与 PID 调节器结合使用。可以编程设定变频器在低速运行持续一段时间后停止调节。当误差或反馈值超过某编程设定的水平后调节重新启动；3
12、 ATV61 变频器在恒压供水中的应用(5)监视能耗值功能：本功能可以显示：瞬时输入功率in kW；累积输入能耗 kWh；瞬时输出功率 in kW；累积输出能耗 in kWh。通过在图形终端上客户定制可以计算电能成本3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用 (6)用传感器检测零流量：如果过程使用了流量传感器(有或无)：其输出可以配置给变频器的逻辑输入，在没有流量的情况下，变频器自由停车。故障消失后过程重新启动；(7)可以配置专用于恒压供水的多泵卡：最多可以用一台变频器拖动五台泵，使用此卡可以使ATV61 的功能更加完善：任何流量下系统中均保持恒定的压力。通过ATV61 对泵设备进行简单的设置和
13、诊断。更方便的实现恒压供水，同时，不必再配置软起来起动辅助泵，为客户节省了成本。3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用 多泵卡VW3A3502 3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用n3.3 ATV61 是一款出色的节能产品 针对风机泵类负载而设计的ATV61 不仅具有传统的通过频率的调解实现节能的效果，还具有自动能量优化功能，在整个速度变化范围内，变频器可以根据负载的轻重，自动调节V/F 曲线，从而优化磁通和激磁电流，达到最佳节能的目的。同时通过载波频率的自动调节也可以达到节能的效果。3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用l节能分析：从流体力学角
14、度去考虑，可将风机、泵等流体机械看成平方转矩负载，其主轴转速n 与流量Q，压力P 以及轴功率W近似具有如下关系：Qn；Pn2；Wn3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比，假设某水泵的额定转速为n0，阀门全开时管阻特性为R，压力为P，出口流量为Q，流量转速压力的关系曲线如下图：3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用3 ATV61 变频器在恒压供水中的应用l变频器能根据水泵负载变化随之调节电机的转速，在满足系统正常工作情况下使泵作出相应调节，以达到节能的目的。4 变频恒压供水应用方案举例 某建筑项目，商业和住宅共用，M楼层，建筑高度Nm，需设计供水系统，保证用水
15、高峰期间，顶楼的用户能照常用水，并注意节能和系统成本的最优化，采用变频恒压供水系统设计此项目。4 变频恒压供水应用方案举例n 4.1 设计思路及元件选择 在变频泵系统中，设计时应按以下步骤进行：(1)管网系统设计，计算管网的阻力。(2)选择压差控制点，不同的压差控制点对应不同的设备初 投资和管网运行费用，应按技术经济分析进行选择。(3)选择主循环泵：主循环泵的选择考虑两方面：A：流量要求，应能提供管网的全部循环流量；B：扬程要求，应满足热源到压差控制点间管网阻力。4 变频恒压供水应用方案举例 (4)分布泵的选择，主要考虑满足其所服务用户的阻力和流量。(5)变频器的选择，在满足系统运行要求的前提
16、下，按照驱动泵的电机的功率选择变频器的功率，同时配上多泵卡。n4.2 变频器恒压供水系统 4.2.1 变频器主回路如下图4 变频恒压供水应用方案举例4 变频恒压供水应用方案举例 4.2.2 变频器控制回路4 变频恒压供水应用方案举例n4.2.3 运行方式：该系统有手动和自动两种运行方式：(1)手动运行 按下手动按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-5#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。4 变频恒压供水应用方案举例(2)自动运行 合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz 上升，同时PID 调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送
17、给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启动2#泵变频运行，变频器输出频率逐渐上升至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，则执行减泵程序。同时根据PID 调节器给的调节参数使系统平稳运行。4 变频恒压供水应用方案举例 减泵过程；假如这时5 台泵都已投入运行，5#泵变频运行降到下限频率，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使5#泵停止，4#转为变频运行，经过一段时间后水压仍处于上限值，4#泵运行在下限频率，则延时一段时间后使4#泵停止，依此类推。4 变频恒压供水应用方案举例n4.2.4 故障处理和维护 l(1)故障报警 当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情
18、况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。4 变频恒压供水应用方案举例l(2)水泵维护 为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，而此系统配有多泵卡，可检测并存储每台泵运行时间，起动时运行时间最短的泵先运行，做到各台泵的负荷率基本一致。4 变频恒压供水应用方案举例 此系统的运行，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了
19、高楼用户短时间停水的情况发生。4 变频恒压供水应用方案举例 以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。要使系统稳定的运行，ATV61 变频器需要对某些参数进行调整。涉及到的PID 调节参数在菜单1.7（应用功能）的部分和1.14（多泵卡）中。5.1
20、 PID 比例增益rPG、积分增益rlG、微分增益rdG 此设置此是为了确保在运行过程中系统的稳定性，防止因泵的切换和反馈的压力值突变，引发系统剧烈震荡，使系统能平稳快速的响应外界压力的变化。各参数对系统的影响见下图。5.2 泵起动前延时(pump delay on)和停泵延时(pump delay off)此两个参数时间为必需，以避免瞬时压力波动的影响，从而防止颤动（泵的起动/停机）。新型变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱相比，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。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，将很快发展成为主导产品。
