工控自动化技术文摘：变频器在现在楼宇供水中的应用

1 引言
早期楼宇建筑生活给水广泛采用高位水箱给水方式，即用上水泵把水送入高位水箱，水箱中的水靠重力自流向用户供水。采用这种给水方式存在要设置高位水箱和高位水箱被二次污染等众所周知的缺点。20世纪70年代，我国开始应用气压式给水设备并力图取代高位水箱供水方式。采用气压给水设备，为了防止在小流量供水时水泵出现频繁开-停，要求设备的气压水罐具有足够大的容积。大容积气压罐不仅增加可造价，而且水泵房也要相应扩大;因而气压式给水设备的推广应用受到一定限制。
建筑生活给水对设备的主要要求有:
(1) 给水压力(h)及流量(q)应满足使用要求
气压式给水及其它非调速泵给水方式，给水压力及流量主要是靠合理选泵来保证的。水泵选定后，供水压力(h)随流量(q)按水泵的特性曲线变化，是不可改变的。然而，用户的实际用水流量与设计用水流量往往存在很大差别，例如设计预计的用水流量与实际有差别，不同用水情况往往偏少，水压往往偏高;为防止超压，用户往往要求降低供水压力。当整个小区投入使用，在大流量供水情况下，为满足远端用户的用水压力，往往要求提高供水压力。由于气压式供水，供水压力不可调;变频调速给水，供水压力可调。因此，采用变频调速给水能很好地满足供水压力及流量的要求，可以弥补设计供水参数(q及h)与实际可能不符的不足，而且可以适应不同用水情况下供水压力变化的要求。
(2) 供水应可靠
首先给水设备要可靠，其次应有措施(例如有手动控制保证供水的措施)防止因设备故障而断水等等。
(3) 结构简单，便于使用和维护
一般来说，结构简单，使用维护方便，同时其可靠性较高，因此在确定设计方案时应合理处理多功能、复杂与简单、实用的矛盾。
综上所述，变频恒压供水应当是建筑生活供水的首选方案。这种供水方案已在国内外建筑生活供水系统中广泛采用。

2 变频调速在建筑消防给水中的应用

自从20世纪80年代末期以来，大量各种品牌的国外变频器进入国内市场。变频器的出现为水泵变频无级调速提供了技术与物质基础。变频器外加变频供水控制器可以实现恒压变流量或变压变流量(通常多采用准变压变流量)供水控制。所谓准变压变流量供水是指供水压力随供水流量增加而跃阶上升的一种供水方式。通常对于多泵并联的供水方式是每投入一台泵，供水恒压值上升一个台阶。
按用途，建筑给水分为生活(生产)给水和消防给水两大类。在生活(生产)给水系统中应用变频调速泵供水要比其他非调速泵供水具有明显的优越性(如上文所述)，因而在国内外获得了广泛的应用，采用变频调速供水的主要优点是:
(1) 可以实现恒压供水, 压力可调, 以适应不同的供水压力要求;
(2) 具有优良的节能效果;
(3) 与气压式给水比较, 无需设置大容积的气压罐(为了延长不用水时的停泵时间，可设置一个小气压罐);
(4) 水泵经常处于低速运行状态, 噪音低并可延长其使用寿命。
在高稳压消防给水系统中，稳压泵与气压罐配合对消防管网增压、稳压，使之处于准备消防状态，稳压泵是长期值班间歇运行。而消防泵在平时是不工作的，仅在发生火灾时才启动工作，而且消防灭火时间只有2~3小时。因此，上述变频调速供水的优点对消防泵而言是没有多大意义的。所以对消防泵来说，没有必要采用变频调速控制。稳压泵长期值班间歇运行，采用变频调速控制是实用的、有意义的，变频调速供水的优点可以充分发挥。此外，稳压泵的功率一般较小，因而稳压变频器的功率及价格也相应较低;所以采用变频稳压具有良好的性价比。如采用某些品牌的国际先进的变频器，这种变频器本身具有水泵恒压供水控制的功能(例如abb公司的变频器)，具有不用水时变频泵自动停泵，用水时自动启泵的功能，更适宜于变频稳压泵使用。
根据笔者研究、使用、实践的经验，变频稳压工频消防是一种经济、先进、实用的消防给水方案。

3 变频调速给水方式

按供水特性，变频调速供水分恒压变流量和变压变流量供水两大类。所谓恒压变流量供水是指用水流量改变而供水压力始终保持不变的一种供水方式。所谓变压变流量是指供水压力随流量增加而升高的一种供水方式。设供水管路的流阻特性方程式为:

式中，h为供水扬程，为供水高度(m)，q为供水流量( )，a为系数，随管路及所用单位制而异。理想的变压变流量供水特性h=f(q) 应当符合式(1)。按此特性供水，能保证在任何流量下供水管路末端恒压。实际上，在建筑设计及使用阶段均难以给出供水管路的流阻特性方程式(1)，因而也无法实现理想规律(用式(1)表达)的变压变量供水。此外，理想的变压变量供水必须是针对某一具体供水管路的，没有通用性。因此，在通常情况下理想的变压变量供水实际无多大的实用价值。目前，就通用的变频调速供水系统(设备)而言，没有一个是按理想的变压变量供水特性设计的。实用的变压变量给水设备是这样设计的，即供水压力随流量增大而跃阶上升。对于多泵并联恒压供水而言，具体的方案是系统按变频恒压供水设计，恒压值随水泵投入的台数而跃阶上升。每台泵投入时的跃阶值可按需设定。这样有可能使阶梯的供水h-q特性接近理想的变压变量h-q特性，从而获得优良的节能效果。这种变压变量的供水方式命名为准变压变量供水。这种准变压变量给水控制方式具有通用性、实用性，已经在国内外变频给水系统或设备上应用。例如abb公司生产的变频器，按pfc应用宏工作可具有准变压变量供水的功能。

4 变频调速给水变频泵的自动停泵(睡眠)与自动开泵(唤醒)功能

变频恒压供水，在任何流量下(不能大于泵的供水能力)通过变频调速，自动维持恒压。在不用水时(q=0)水泵低速运行以维持恒压。由水泵理论可知，在相似工况下泵的功率与转速的立方成正比;不用水时变频泵的转速最低，泵的能耗也小，因而变频恒压供水允许变频泵长期不停泵运行。然而不用水时变频泵以较低转速长期不停泵运行(例如夜间无人用水时)终究是一个缺点，因为水泵长期不停泵运行要消耗电能并加速水泵磨损。为了在用水时能够停泵，国内不少变频给水设备厂家，在系统中设置了小工频泵和小气压罐按气压式给水的方式工作。众所周知，工频泵与气压罐协同工作必须根据压力控制工频泵开-停。此时气压罐的容积必须够大，否则会出现水泵频繁开-停问题。此外，即使采用了足够大的气压罐，如果气压罐不能自动补气，在长期使用过程中气压罐中的气体漏失，其结果相当于缩小了气压罐的容积，最后也会导致工频泵的频繁开-停，在严重时会引发水泵电机烧毁。据了解国内不少变频给水设备厂家均可解决设置小工频泵、小气压罐带来的上述问题。
为解决变频恒压供水不用水时变频泵能够自停，可以采用这样一种控制方案:在变频恒压供水过程中，当用水流量下降，变频泵的转速(频率)降低，当频率降低到零流量的阈值并持续一定时间(判断无人用水的时间)后，电脑发出停泵指令，使变频泵停泵(自动睡眠)。在停泵期间由小气压罐维持供水，当气压罐压力(即供水压力)降低到某一设定值，电脑接受此压力信息发出开泵指令，变频泵启动(自动唤醒)恢复恒压供水。这种停泵、开泵控制方式不存在上述小工频泵小气压罐按气压式给水控制方式工作的缺点，称之为变频泵的自动睡眠与自动唤醒控制功能。这种控制方式已在笔者公司开发研制的yld-bp系列智能型变频给水设备上应用。经试验与交付用户使用证明十分成功。

6 多泵并联恒压供水时各泵的自动投入和退出方式

由多泵并联恒压供水原理可知，多泵并联恒压供水，只要变频泵在所有泵中是最大的，即可实现恒压供水。随用水流量变化，各并联泵可自动投入或退出。其自动投入或退出的方式有二种:

(1) 以工频状态自动投入或退出
第一种方式是基本方式，各台工频泵以工频状态自动投入或退出。具体方式如下，当用水流量增加，变频泵的转速上升，当上升到工频转速，如用水流量继续增加，下一台工频泵以工频状态自动投入，反之，在多泵并联恒压供水过程中，当用水流量减少，变频泵转速下降，当其转速下降到零流量的阈值，最后投入的一台工频自动停泵退出，采用这种控制方式的电控系统比较简单、可靠，是一种工程实用的控制方式。设有变频恒压供水控制硬件、软件的abb变频器采用的是这种控制方式。如果要实现变频泵与工频泵定时轮换，可以利用abb变频器的pfc应用宏控制软件以达到所要求的定时轮换控制。在这种情况下，每台泵可由变频驱动也可由工频驱动，由变频控制以实现定时轮换。

(2) 循环软起动并按先开先停的原则进行控制
第二种方式称之为循环软起动并按先开先停的原则进行控制。具体控制过程如下:当用水流量增加，变频泵转速上升，当转速上升到工频转速，由变频控制器控制使该变频泵切换到工频运行，然后由控制器控制变频软起动一台新泵，新起动的泵是变频泵，它与工频泵并联运行以实现恒压供水。当用水流量减少，变频泵的转速下降，当转速下降到零流量的阈值，由变频控制器控制使最先开启的一台泵停泵，以实现先开先停的控制原则，要实现先开后停的原则，变频控制器中要应用单片机，由以上可见，采用这种控制方式，其控制系统要复杂得多，其性价比如何尚有待使用实践的检验。