变频调速技术在消防给水设备中的应用探讨

    摘要：文章对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。从消防科研的实践出发，阐述了变频调速技术在消防给水设备中的应用。以单片机电路控制方式为例，介绍了其工作原理。（参考《www.jianzhu518.com》）

    1 传统水泵控制技术的弊端

    在传统的水泵控制方式中，靠调节出口或人口闸阀方式来进行，人为增加管网阻力达到变化流量和压力的目的。因此，在控制过程中，流程阻力损失相应增加，而此时水泵的特性曲线不变，叶片转速不变，电机输入功率并无减少，而是白白地损失在调节过程中。经测算，当水泵的流量由100%降到50%时，若分别采用调节出口和人口阀门的方式，则电机的输入功率分别为额定功率的84%和60%，而水泵的轴功率仅为12.5%，即损失功率分别为71.5%和47.5%。这说明不采用先进的控制措施，即使水泵的设计效率为100%，其实际的运行效率可能只有百分之十几或更低。传统的控制方式，造成水泵长期处于高速、满负荷状态下运行，因此维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，影响环境。

    2 变频调速技术的原理

    变频调速技术（variablevelocityvaliablefrequencytechnology）是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系，即均匀改变电动机定子绕组的电源频率，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。

    众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即P=Kn3.其中P为水泵消耗功率；n为水泵运行时的转速；K为比例系数。变频调速和智能控制技术，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。用阀门控制水泵流量时，部分有功功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。如果采用降低电机转速的方式进行控制，就避免了消耗在阀门的有功功率。这样，在转运同样流量的情况下，仅需要输入较低的功率，获得节能效果。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。

    3 变频调速技术用于消防给水系统的控制方式

    3.1继电接触器控制方式

    这是最简单的一类控制方式。根据工艺或外界条件的变化，依靠传统的模拟电子技术，采用继电接触器来控制水泵电动机运转，达到调速目的。

    3.2逻辑电子电路控制方式

    这类控制电路往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。控制方式较为先进，但难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦，且工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但系统成本较低。系统工作原理为：当消防管网压力降至某一规定值（低限值）时，由压力传感器发出信号自动开启稳压泵对管网补水加压，当压力升至另一规定值（高限值）时自动停泵。根据需要系统可设置消防中心联动接口，当消防中心发出火警信号或按动消火栓按钮，电控柜自动开启消防主泵进行灭火。

    3.3单片机电路控制方式

    这类控制电路优于逻辑电子电路，但在不同管网、不同供水情况时调试较麻烦。因系统程序预先固化于芯片中，需要追加功能时，就要对电路进行修改，重新刷新设置程序，不灵活也不方便，控制电路的可靠性和抗干扰能力也不高。

    图1所示为笔者参与研制的ZBW系列微机控制全自动恒压供水系统的电路控制原理图与系统图。系统通过高性能单片机控制变频调速器拖动多台水泵，逐台变频调速启动，实现全自动恒压供水。变频稳压泵由具有恒压供水控制功能的变频器控制运行。平时无火警时，由变频稳压泵向消防管网充水稳压，使系统随时能够满足消防给水要求。当管网充水稳压到设定恒压，稳压泵流量趋近于零并维持一段时间（时间通过程序可控制）后，变频稳压泵自动停泵，进入等待状态，由贮能罐维持稳压。当管网压力下降至某一设定的压力值时，变频稳压泵自动启动恢复恒压稳压。当系统接收到火灾信号后，由单片机控制主消防泵（可以根据需要为一台或数台）依次工频启动，以提供额定的消防流量和压力。在主消防泵已投入运行的情况下，如管网压力不足，由单片机控制备用消防泵自动投入，以满足消防用水流量要求。通过与消防控制中心联网，可按设计程序进行自动或手动巡检，从而实现消防联动控制功能。

    自来水管网压力一般是周期性变化的，其压力变化可以用时间t为变量的函数P（t）来表示。若用户需要水压为Pv，各个时间段需要补充的压力不同，其函数式为Py-P（t），也以时间t为变量的函数。当P（t）Py时，系统不需补压，处于停泵状态。但当P（t）很小时，为避免因负压引起管网破坏，此时也不能进行补压。当P（t）很大时，系统也因超高压停泵。根据如上原理要求，研发设计了本设备。在设备的能量调节仪上设置4个压力值，分别为Pm、Pn、Pv、Px（数值可根据用户和管网情况设定）。Pm为超低压停泵压力点；Pn为有压启泵压力点；Pv为用户所需要压力点；Px为超压停泵压力点。设备处于运行状态时，能量调节仪自动监测自来水管网压力变化，并控制设备在不同的状态下运行。当自来水管网压力P（t）达到Pn时（P1点），设备自动开机，水泵在变频状态下运行，压力被补充；随着管网压力的变化，当P（t）升至Pv时（P2点），设备自动停机，由管网直接向用户供水；当管网压力波峰过后，压力降至Pv时（P3点），设备又自动开机补压；当管网压力继续向波谷下降至Pm时（P4点），设备自动停机，以避免破坏管网和污染水质。

    系统中，水泵起到对自来水补压的作用，以满足用户对供水压力的需求。贮能罐能接收并贮存自来水管网的能量，还能起到在启泵时减轻对管网影响的作用。压力传感器用于接收用户管网压力信息，控制水泵转速。能量调节仪接收自来水管网的压力信息，调节控制水泵充分利用管网能量，避免对管网的破坏和影响。控制柜用于接收压力传感器的信息并经处理后控制水泵的启动、停止和转速。其中，能量调节仪是设备的核心部件，它本身自带3个可随意设定的压力值，与自来水管网的压力值相交时便产生了4个压力点。能量调节仪将时刻监测管网的压力情况。每监测到一个压力点都做出相应的判断，并将判断结果传输给微机变频控制系统，达到自动补压的目的。设备的启动方式为软启动，对电网及管网的冲击很小。由于该设备不设储水池而是直接并联于管网进行补压，减少了污染，降低了能耗。

    3.4带比例积分微分（PID）控制器和／或可编程序逻辑（PLC）控制器的控制方式该方式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，从而使输出水压连续变化。其中，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，也可以将压力设定信号和压力反馈信号送人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。在水泵控制系统中使用变频调速技术，调速器的控制可以自动，也可以手动。变频器的加速和减速可根据要求自动调节，控制精度高。

    3.5变频器内部集成控制方式此种控制方式将PID、PLC的功能都以集成方式综合到变频器内，形成了面向控制和应用的新型变频器。由于PID运算预先固化在变频器内部，省去对PLC的设计和对PID的编程，而且PID参数的在线调试非常容易。内置PID调节器采甩了优化算法，所以水压调节十分平滑、稳定。

    同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，能够降低设备成本，并节省安装调试时间。

    此外，针对传统的变频调速供水设备的不足之处，有些产品设计采用了变频调速和智能控制技术，因此多电平直接高压变频器、模糊控制器等器件得到了应用。如利用多电平直接高压变频器，可以实现高质量的功率输入和输出、高功率因数和不间断运行。采用模糊控制器会最大限度地适应被控对象的复杂性，达到控制精度高、响应快、控制规律简单的目的。

    4 变频调速技术应用于消防给水系统

    （1）有消防信号外部输入接口。当有火警或火灾信号到来时，系统能自动切换到火灾状态；