ECO變頻器在智能建筑中恒壓供水裝置的應用分析
摘要：
隨著科學技術的迅猛發展，電力電子技術、微電子技術及現代控制理論的不斷進步，又因為變頻器所具有的高效率性能和良好的控制特性，目前在交流電動機的速度控制中較多采用。使用變頻器一個突出的優點就是節省能源，而且通過發揮其理想的控制特性，設備使用性能可以大幅提高。在智能建筑中，生活恒壓給水在節能和可靠性方面要作具體分析，從而選擇更合理控制方式。本文介紹了西門子ECO變頻器在在智能建筑中恒壓供水方面的應用，對變頻器的設計和使用特點做了詳細闡述。
一概述
在智能建筑日益增多的今天，供水問題成為業主比較關心的問題，所以變頻恒壓自動供水便提上了日程。以前在一般建筑的建設中往往需要建設一個二次加壓供水泵房并采用變頻器實現恒壓自動供水。一般情況下，恒壓供水自動控制系統通過壓力傳感器采集管網中的壓力并將其轉換成模擬信號進行變頻控制。這樣變頻恒壓水系統直接取代水塔、高位水箱及傳統的氣壓罐供水裝置，為局部加壓供水開辟了新的途徑。另外由于水泵耗電功率與電機轉速的三次方成正比關系，所以水泵調速運行的節能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節省40％。與可編程控制器結合使用，可實現循環變頻，電機軟啟動，具有欠壓保護、過壓保護、短路保護、過流保護功能，工作穩定可靠，大大延長了設備的使用壽命。
本系統為可編程控制的變頻水壓控制系統。系統采用可編程控制器（PLC），可實現手動開環調節、自動閉環調節、遠方控制及本地控制。每臺電機設置單獨的控制面板，具有水壓顯示、頻率顯示、工作狀態顯示功能，變頻器故障、可編程控制器故障，可實現聲光報警。變頻調速器采用西門子公司產品，可實現電機的平滑調節，變頻調速器加裝交流電抗器及直流電抗器，確保變頻調速器電源側諧波分量小于5%。
二變頻控制恒壓供水分析
大家知道，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比。即N=KN3
N：為水泵消耗功率；n：為水泵運行時的轉速；K為比例系數。而水泵設計是按工頻運行時設計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于命名用了變頻技術及微機技術有微機控制，因此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。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，節能率可達20%-40%。
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，從而使管網水壓連續變化。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，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入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。
由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來計時，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。
若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。
三ECO變頻器選用原則
ECO變頻器是SIEMENS公司推出的用于風機、水泵等設備調速節能運行的專用變頻器。其主要特點是：
⑴ECO變頻器安裝調試容易，維護和運行費用低。由于變頻器的特定功能使其產品的成本降至最小，價格便宜，降低了整套系統的成本。
⑵ECO變頻器能夠精確地跟隨設定點，可使系統有更好的性能。
⑶內置PID調節采用了標準比例、積分、微分控制的閉環過程控制，并為反饋傳感器提供了標準電源。
⑷在運行噪聲的控制方面采用了自動開關頻率優化，從而降低電機運行時的噪聲。
⑸ECO變頻器針對風機、水泵節能運行的需要，設置了能量優化控制程序，為在運行中搜尋最小能量消耗點，自動升高和降低電機電壓。當電機達到穩定點的速度（即加速過程結束時）時通用變頻器即在這個速度下運行，而ECO變頻器此時開始分析電機的功率消耗。然后開始微小地升高或降低變頻器的輸出電壓來搜索最佳頻率，即最低的功率消耗。如果ECO變頻器檢測出在升高電機電壓時，功率消耗增加了，則變頻器的控制策略（能量優化控制程序）就開始降低電機電壓，以搜索最低的功率消耗水平，如果檢測出在降低電機電壓時，功率消耗增加，則升高電機電壓。這樣就可搜尋到效率最高，功率消耗最小點并在此處運行。用這種優化節能程序（典型）可節約2%～5%的額定容量的電能。
⑹在選擇ECO變頻器時，不能用它驅動額定功率比它大或者額定功率不足其一半的電機，否則會影響變頻器的性能甚至造成損壞。
四控制系統詳解
為了保持供水系統水壓的基本恒定，需要變頻器根據給定的壓力信號與管網水壓的反饋信號進行比較，以調節水泵的轉速，達到供水、水壓恒定的目的。
當恒壓供水系統處于自動調節狀態時，自動控制指示燈亮，系統進入自動控制狀態。系統由管網水壓傳感器作為系統的反饋信號，反饋信號采用4-20mA電流信號，恒壓值的設定可在可編程控制器（PLC）中人為設定，通過使用ECO變頻器內部的PID控制功能，啟動水泵作變頻調節運行，并達到恒定的壓力值，開成一個動態平衡過程。若設定恒壓值為Y0，過程壓力值為Yi，當用水量增加Yi＜Y0時，則變頻器輸出頻率上升，轉速提高，供水量增大，仍達到恒定的設定壓力值，從而開成一個新的動態平衡過程，實現系統的自動控制功能。
此系統也可進行手動開環調節運行。如管網水壓傳感器出現故障時，人為將手動/自動開關置于手動位置，系統處于手動調節狀態，手動控制指示燈亮，可在控制面板實現頻率（液位）手動設定，并變頻啟動水泵。
如所需水壓值低于實際水壓值時，可人為調整變頻調速器的輸出頻率，達到所需的恒壓值。
系統控制圖
五變頻器主要調節參數
六結語
在智能建筑中供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，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。恒壓供水調速系統的這些優越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發、生產這一高新技術產品。在給水系統中，用水管式傳感器檢測水泵輸出管網壓力，在現場控制器與設定值比較，比較后去控制變頻器的輸出頻率，達到控制水泵轉速的目的。如給水管網用戶用水量增多，管網壓力減少，控制器控制變頻器輸出頻率增加，水泵轉速隨著增加，增加供水量以滿足用戶的需求。如給水管網用戶用水量減少，管網壓力增大，控制器控制變頻器輸出頻率降低，水泵轉速隨著減少，減少供水量，從而達到節能的目的。
隨著科學技術的迅猛發展，電力電子技術、微電子技術及現代控制理論的不斷進步，又因為變頻器所具有的高效率性能和良好的控制特性，目前在交流電動機的速度控制中較多采用。使用變頻器一個突出的優點就是節省能源，而且通過發揮其理想的控制特性，設備使用性能可以大幅提高。在智能建筑中，生活恒壓給水在節能和可靠性方面要作具體分析，從而選擇更合理控制方式。本文介紹了西門子ECO變頻器在在智能建筑中恒壓供水方面的應用，對變頻器的設計和使用特點做了詳細闡述。
一概述
在智能建筑日益增多的今天，供水問題成為業主比較關心的問題，所以變頻恒壓自動供水便提上了日程。以前在一般建筑的建設中往往需要建設一個二次加壓供水泵房并采用變頻器實現恒壓自動供水。一般情況下，恒壓供水自動控制系統通過壓力傳感器采集管網中的壓力并將其轉換成模擬信號進行變頻控制。這樣變頻恒壓水系統直接取代水塔、高位水箱及傳統的氣壓罐供水裝置，為局部加壓供水開辟了新的途徑。另外由于水泵耗電功率與電機轉速的三次方成正比關系，所以水泵調速運行的節能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節省40％。與可編程控制器結合使用，可實現循環變頻，電機軟啟動，具有欠壓保護、過壓保護、短路保護、過流保護功能，工作穩定可靠，大大延長了設備的使用壽命。
本系統為可編程控制的變頻水壓控制系統。系統采用可編程控制器（PLC），可實現手動開環調節、自動閉環調節、遠方控制及本地控制。每臺電機設置單獨的控制面板，具有水壓顯示、頻率顯示、工作狀態顯示功能，變頻器故障、可編程控制器故障，可實現聲光報警。變頻調速器采用西門子公司產品，可實現電機的平滑調節，變頻調速器加裝交流電抗器及直流電抗器，確保變頻調速器電源側諧波分量小于5%。
二變頻控制恒壓供水分析
大家知道，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比。即N=KN3
N：為水泵消耗功率；n：為水泵運行時的轉速；K為比例系數。而水泵設計是按工頻運行時設計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于命名用了變頻技術及微機技術有微機控制，因此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。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，節能率可達20%-40%。
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，從而使管網水壓連續變化。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，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入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。
由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來計時，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。
若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。
三ECO變頻器選用原則
ECO變頻器是SIEMENS公司推出的用于風機、水泵等設備調速節能運行的專用變頻器。其主要特點是：
⑴ECO變頻器安裝調試容易，維護和運行費用低。由于變頻器的特定功能使其產品的成本降至最小，價格便宜，降低了整套系統的成本。
⑵ECO變頻器能夠精確地跟隨設定點，可使系統有更好的性能。
⑶內置PID調節采用了標準比例、積分、微分控制的閉環過程控制，并為反饋傳感器提供了標準電源。
⑷在運行噪聲的控制方面采用了自動開關頻率優化，從而降低電機運行時的噪聲。
⑸ECO變頻器針對風機、水泵節能運行的需要，設置了能量優化控制程序，為在運行中搜尋最小能量消耗點，自動升高和降低電機電壓。當電機達到穩定點的速度（即加速過程結束時）時通用變頻器即在這個速度下運行，而ECO變頻器此時開始分析電機的功率消耗。然后開始微小地升高或降低變頻器的輸出電壓來搜索最佳頻率，即最低的功率消耗。如果ECO變頻器檢測出在升高電機電壓時，功率消耗增加了，則變頻器的控制策略（能量優化控制程序）就開始降低電機電壓，以搜索最低的功率消耗水平，如果檢測出在降低電機電壓時，功率消耗增加，則升高電機電壓。這樣就可搜尋到效率最高，功率消耗最小點并在此處運行。用這種優化節能程序（典型）可節約2%～5%的額定容量的電能。
⑹在選擇ECO變頻器時，不能用它驅動額定功率比它大或者額定功率不足其一半的電機，否則會影響變頻器的性能甚至造成損壞。
四控制系統詳解
為了保持供水系統水壓的基本恒定，需要變頻器根據給定的壓力信號與管網水壓的反饋信號進行比較，以調節水泵的轉速，達到供水、水壓恒定的目的。
當恒壓供水系統處于自動調節狀態時，自動控制指示燈亮，系統進入自動控制狀態。系統由管網水壓傳感器作為系統的反饋信號，反饋信號采用4-20mA電流信號，恒壓值的設定可在可編程控制器（PLC）中人為設定，通過使用ECO變頻器內部的PID控制功能，啟動水泵作變頻調節運行，并達到恒定的壓力值，開成一個動態平衡過程。若設定恒壓值為Y0，過程壓力值為Yi，當用水量增加Yi＜Y0時，則變頻器輸出頻率上升，轉速提高，供水量增大，仍達到恒定的設定壓力值，從而開成一個新的動態平衡過程，實現系統的自動控制功能。
此系統也可進行手動開環調節運行。如管網水壓傳感器出現故障時，人為將手動/自動開關置于手動位置，系統處于手動調節狀態，手動控制指示燈亮，可在控制面板實現頻率（液位）手動設定，并變頻啟動水泵。
如所需水壓值低于實際水壓值時，可人為調整變頻調速器的輸出頻率，達到所需的恒壓值。
系統控制圖
五變頻器主要調節參數
六結語
在智能建筑中供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，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。恒壓供水調速系統的這些優越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發、生產這一高新技術產品。在給水系統中，用水管式傳感器檢測水泵輸出管網壓力，在現場控制器與設定值比較，比較后去控制變頻器的輸出頻率，達到控制水泵轉速的目的。如給水管網用戶用水量增多，管網壓力減少，控制器控制變頻器輸出頻率增加，水泵轉速隨著增加，增加供水量以滿足用戶的需求。如給水管網用戶用水量減少，管網壓力增大，控制器控制變頻器輸出頻率降低，水泵轉速隨著減少，減少供水量，從而達到節能的目的。
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