變頻調速技術在消防給水設備中的應用探討
變頻調速技術在消防給水設備中的應用探討
1 傳統水泵控制技術的弊端
在傳統的水泵控制方式中，靠調節出口或人口閘閥方式來進行，人為增加管網阻力達到變化流量和壓力的目的。因此，在控制過程中，流程阻力損失相應增加，而此時水泵的特性曲線不變，葉片轉速不變，電機輸入功率并無減少，而是白白地損失在調節過程中。經測算，當水泵的流量由100％降到50％時，若分別采用調節出口和人口閥門的方式，則電機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％。這說明不采用先進的控制措施，即使水泵的設計效率為100％，其實際的運行效率可能只有百分之十幾或更低。傳統的控制方式，造成水泵長期處于高速、滿負荷狀態下運行，因此維護工作量大，設備壽命低，并且運行現場噪聲大，影響環境。
2 變頻調速技術的原理
變頻調速技術是一項綜合現代電氣技術和計算機控制的先進技術，廣泛應用于水泵節能和恒壓供水領域。變頻調速的基本原理是根據交流電動機工作原理中的轉速關系，即均勻改變電動機定子繞組的電源頻率，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節能作用。
眾所周知，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比。即P=Kn3.其中P為水泵消耗功率；n為水泵運行時的轉速；K為比例系數。變頻調速和智能控制技術，可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。用閥門控制水泵流量時，部分有功功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。如果采用降低電機轉速的方式進行控制，就避免了消耗在閥門的有功功率。這樣，在轉運同樣流量的情況下，僅需要輸入較低的功率，獲得節能效果。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20％，從而大大降低能耗。
3 變頻調速技術用于消防給水系統的控制方式
3.1繼電接觸器控制方式
這是最簡單的一類控制方式。根據工藝或外界條件的變化，依靠傳統的模擬電子技術，采用繼電接觸器來控制水泵電動機運轉，達到調速目的。
3.2邏輯電子電路控制方式
這類控制電路往往采用一臺泵固定于變頻狀態，其余泵均為工頻狀態的方式。控制方式較為先進，但難以實現水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調節。因此控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調試較麻煩，且工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但系統成本較低。系統工作原理為：當消防管網壓力降至某一規定值（低限值）時，由壓力傳感器發出信號自動開啟穩壓泵對管網補水加壓，當壓力升至另一規定值（高限值）時自動停泵。根據需要系統可設置消防中心聯動接口，當消防中心發出火警信號或按動消火栓按鈕，電控柜自動開啟消防主泵進行滅火。
3.3單片機電路控制方式
這類控制電路優于邏輯電子電路，但在不同管網、不同供水情況時調試較麻煩。因系統程序預先固化于芯片中，需要追加功能時，就要對電路進行修改，重新刷新設置程序，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系列微機控制全自動恒壓供水系統的電路控制原理圖與系統圖。系統通過高性能單片機控制變頻調速器拖動多臺水泵，逐臺變頻調速啟動，實現全自動恒壓供水。變頻穩壓泵由具有恒壓供水控制功能的變頻器控制運行。平時無火警時，由變頻穩壓泵向消防管網充水穩壓，使系統隨時能夠滿足消防給水要求。當管網充水穩壓到設定恒壓，穩壓泵流量趨近于零并維持一段時間（時間通過程序可控制）后，變頻穩壓泵自動停泵，進入等待狀態，由貯能罐維持穩壓。當管網壓力下降至某一設定的壓力值時，變頻穩壓泵自動啟動恢復恒壓穩壓。當系統接收到火災信號后，由單片機控制主消防泵（可以根據需要為一臺或數臺）依次工頻啟動，以提供額定的消防流量和壓力。在主消防泵已投入運行的情況下，如管網壓力不足，由單片機控制備用消防泵自動投入，以滿足消防用水流量要求。通過與消防控制中心聯網，可按設計程序進行自動或手動巡檢，從而實現消防聯動控制功能。
自來水管網壓力一般是周期性變化的，其壓力變化可以用時間t為變量的函數P（t）來表示。若用戶需要水壓為Pv，各個時間段需要補充的壓力不同，其函數式為Py-P（t），也以時間t為變量的函數。當P（t）Py時，系統不需補壓，處于停泵狀態。但當P（t）很小時，為避免因負壓引起管網破壞，此時也不能進行補壓。當P（t）很大時，系統也因超高壓停泵。根據如上原理要求，研發設計了本設備。在設備的能量調節儀上設置4個壓力值，分別為Pm、Pn、Pv、Px（數值可根據用戶和管網情況設定）。Pm為超低壓停泵壓力點；Pn為有壓啟泵壓力點；Pv為用戶所需要壓力點；Px為超壓停泵壓力點。設備處于運行狀態時，能量調節儀自動監測自來水管網壓力變化，并控制設備在不同的狀態下運行。當自來水管網壓力P（t）達到Pn時（P1點），設備自動開機，水泵在變頻狀態下運行，壓力被補充；隨著管網壓力的變化，當P（t）升至Pv時（P2點），設備自動停機，由管網直接向用戶供水；當管網壓力波峰過后，壓力降至Pv時（P3點），設備又自動開機補壓；當管網壓力繼續向波谷下降至Pm時（P4點），設備自動停機，以避免破壞管網和污染水質。
系統中，水泵起到對自來水補壓的作用，以滿足用戶對供水壓力的需求。貯能罐能接收并貯存自來水管網的能量，還能起到在啟泵時減輕對管網影響的作用。壓力傳感器用于接收用戶管網壓力信息，控制水泵轉速。能量調節儀接收自來水管網的壓力信息，調節控制水泵充分利用管網能量，避免對管網的破壞和影響。控制柜用于接收壓力傳感器的信息并經處理后控制水泵的啟動、停止和轉速。其中，能量調節儀是設備的核心部件，它本身自帶3個可隨意設定的壓力值，與自來水管網的壓力值相交時便產生了4個壓力點。能量調節儀將時刻監測管網的壓力情況。每監測到一個壓力點都做出相應的判斷，并將判斷結果傳輸給微機變頻控制系統，達到自動補壓的目的。設備的啟動方式為軟啟動，對電網及管網的沖擊很小。由于該設備不設儲水池而是直接并聯于管網進行補壓，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提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速，從而使輸出水壓連續變化。其中，傳感器的任務是檢測管網水壓。壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號，也可以將壓力設定信號和壓力反饋信號送人PID回路調節器，由PID回路調節器在調節器內部進行運算后，輸入給變頻器一個轉速調節信號。在水泵控制系統中使用變頻調速技術，調速器的控制可以自動，也可以手動。變頻器的加速和減速可根據要求自動調節，控制精度高。
3.5變頻器內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，形成了面向控制和應用的新型變頻器。由于PID運算預先固化在變頻器內部，省去對PLC的設計和對PID的編程，而且PID參數的在線調試非常容易。內置PID調節器采甩了優化算法，所以水壓調節十分平滑、穩定。
同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。所以采用帶有內置PID功能的變頻器生產出的恒壓供水設備，能夠降低設備成本，并節省安裝調試時間。
此外，針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，有些產品設計采用了變頻調速和智能控制技術，因此多電平直接高壓變頻器、模糊控制器等器件得到了應用。如利用多電平直接高壓變頻器，可以實現高質量的功率輸入和輸出、高功率因數和不間斷運行。采用模糊控制器會最大限度地適應被控對象的復雜性，達到控制精度高、響應快、控制規律簡單的目的。
4 變頻調速技術應用于消防給水系統
（1）有消防信號外部輸入接口。當有火警或火災信號到來時，系統能自動切換到火災狀態；
（2）設計有系統自動巡檢功能，定時巡檢周期可根據需要設定；
（3）便于靈活配置常規泵、消防泵及其他功能泵，便于實現供水泵房全面自動化；
（4）工作泵與備用泵不固定，可自動定時輪換，有效地防止因為備用泵長期不用時發生的銹死現象；
（5）故障自動電話撥號功能。當供水系統或變頻器發生故障時，通過內置串行通訊接口，與外接MODEM設備進行信號連接，自動啟動預先設定的電話號碼和信息，及時通知設備維護人員進行相應處理，可以方便地實現泵房無人值守運行；
（6）可以實現聯網控制，便于實現樓宇自動化管理。
變頻調速技術用于消防給水系統可以實現水泵電機無級調速，依據甩水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足消防用水要求。與傳統消防給水方式相比，不論是設備的投資、運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。
變頻調速技術用于水泵控制系統，具有調速性能好、節能效果顯著、運行工藝安全可靠等優點。在大力提倡節約能源的今天，推廣使用這種集現代先進電力電子技術和計算機技術于一體的高科技節能裝置，對于提高勞動生產率、降低能耗具有重大的現實意義。可以說變頻調速技術是一項利國利民、有廣泛應用前景的高新技術。
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