CHV160供水专用变频器的应用.doc

英威腾CHV160A系列供水专用变频器的住宅小区供水系统上应用
【摘 要】： 本文介绍了英威腾CHV160A系列供水专用变频器的特点以及在生活消防共用给水系统中的应用以及技术和经济分析。
【关键词】： 英威腾CHV160A系列供水专用变频器变频器、 生活消防共用给水系统、恒压供水 PID控制。
一、 前言
水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线，水工业是以城市及工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展的所需求水量作为生产目标的特殊工业。在水的开采、加工、输送利用过程中，供水设备是其必不可少的工具。随着变频技术的日益成熟，利用变频器、压力传感器等器件的有机结合，构成压力闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量；采用变频调速技术不仅能使住宅小区供水系统上维持在所期望的状态，可使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上。
恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，用水区域采用恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。
二、 供水现状与恒压供水设备
  一般规定：现代住宅小区的发展，往往集生活、商业和生产于某一特定区域。随着建筑物的增高，生产生活用水供给问题日益突出，它主要反映在二个方面：一是生活用水的恒压供水问题，二是高层建筑的消火栓和商场火灾自动喷淋压力供水问题。
  在上世纪八、九十年代，每幢高层建筑其供水系统为生活用水泵和消防用水泵分为二组，每组为二台，一用一备，并且互为备用，采用传统的继电器开环控制。当工频电压直接供水时，因用户的用水是经常变化的，供水的不足和过剩的情况时有发生。而用水和供水的不平衡集中反映在供水的压力上，这时的控制系统只能控制水位而不能控制用水的恒压供水，这就导致用水高峰时，高层住户没有水用的状况，供水质量差。另外水泵起动和停机时水管内存在“水锤现象”。此外还存在机组占地面积大，噪音干扰严重，能耗大和需人工值守等问题，显然已不能适应现代住宅小区的发展需要，供水质量也无法得到保证。
随着城市的发展和人们居住理念的变化，城市住宅由纯多层住宅或纯高层住宅向具有一定规模的多层、小高层、高层住宅组合而成的居住小区转化，在这些新兴的居住小区中，如何合理选择生活消防共用给水系统方式已成为给工程设计中一个新的课题。
小区供水系统用于对小区内生活、消防和喷淋用水的自动供给，是住宅小区公用设施的重要组成部分。 为生活给水系统和消火栓供水系统合用，平时满足生活供水系统的流量及扬程要求，在火灾时进行频率切换，根据消火栓系统的流量和扬程要求而改变工况点，满足消防供水要求，由于火灾时按消防工况工作，故水泵扬程增大，生活给水系统需分区，低区设调压式减压阀以保证最不利点处静水压力不超过生活水管网最大承受压力。
以前，供水系统通过对水泵、阀门等设备的开、关和联锁来实现小区的正常供水，从而达到居民正常生活和人员、设备安全的目的。小区供水系统的自动化程度不高，其电气控制部分一般采用传统的继电器进行控制。但是，继电器控制回路存在多种弊端，如继电器由于长期动作容易造成咬死和损坏、继电器回路接线复杂且维护困难、继电器回路难以实现复杂逻辑的控制、继电器回路控制方案不易修改等。随着变频技术、计算机技术控制技术和通讯技术的发展，现在供水系统越来越多地采用先进、可靠、实用的变频器进行控制，以提高设备运行的可靠性和供水系统的经济性。
三、恒压供水原理
用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
在供水系统中，供水管网中的气压能够充分反映供水能力与用水需求之间的关系：
若：供水流量＞用水流量 → 供水管网压力上升
若：供水流量＜用水流量 → 供水管网压力下降
若：供水流量＝用水流量 → 供水管网压力不变
所以，供水管网的压力恒定，保证供水系统需多少用水量就供多少量水，完全免除供水系统中所造成的浪费，这就是恒压供气系统所要达到的目的。
通过安装在供水管网上的高灵敏度压力传感器来检测供水管网在用水量变化时的压力变化，不断向变频器传输变化的信号，经过微电脑判断运算并与设定的压力比较后，向控制器发出改变频率的指令，控制器通过改变频率来改变水泵电机的转速与启用台数，自动调节峰谷用水量，保证供水管网压力恒定，以满足用户用水的需求。
另外，水泵配套电动机从静止到稳定转速可由变频调速系统实现软启动，避免了启动时的大电流和启动给水泵配套电动机带来的机械冲击。
供水自动控制系统工作时，整个控制过程如下：
用水需求增加——供水管网压力下降——压力设定值与反馈值的差值上升——PID输出上升——变频调速系统输出频率上升——水泵配套电动机转速上升——供水流量增大——供水流量趋于稳定
反之：用水需求减少——供水管网压力上升——压力设定值与反馈值的差值下降——PID输出下降——变频调速系统输出频率下降——水泵配套电动机转速下降——供水流量减少——供水流量趋于稳定

四、改造方案
1、设备概况
市政管网自来水通过水位控制，自动把水注满储水水池，水位低于高水位，则自动向水箱注水。水池高低水位信号作为水位报警。保持供水连续性，水位上、下限传感器高低距离较少。生活用水和消防用水共用四台泵，平时电磁阀关闭消防水管网，四台泵生活用水多少，按一定控制逻辑运行，平时由生活泵工作，按生活供水压力工作(第一压力)，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀关闭生活用水管网，使生活用水管网最不利点处静水压力不超过生活水管网最大承受压力。四台泵供消防用水使用，将管网压力调到消防所需的压力(第二压力)，并维持消防用水高恒压值及保证生活水管网恒压值。火灾结束后，四合院台泵改为生活供水使用，管网工作压力恢复到生活管网压力(第一压力)。此时，系统又处于正常的生
活供水状态。
     生活/消防双恒压供水系统示意图   
n 现场设备参数如下:
型号
65-315(I)A
流量
56m3/h
扬程
110m
效率
56%
转速
2900r/min
电机功率
37kW
n 用户对二泵生活/消防双恒压供水系统基本要求
(1) 生活供水时，系统低恒压运行，消防供水时高恒压值运行;
(2)  二台泵恒压需要，采取先开先停原则接入和退出;
(3)  用水量小情况下，一台泵连续运行时间超过1天，则要切换下一台泵，系统具有倒泵功能，避免一
台泵工作时间过长;
(4)  二台泵启动时都要有软启动功能;
(5)  要有完善报警功能;
(6)  对泵操作要有手动控制功能;手动只应急或检修时使用。
2、 配置方案
采用了深圳英威腾电气股份有限公司的自主研发、生产的CHV160A系列的供水专用变频器，可快速装配成恒压供水系统，它集变频调速技术、PLC技术、PID控制技术等为一体，可组成完整的闭环自动控制系统。我们进行改造的一些心得。现将其中的改造情况介绍如下:
(1)、变频器配置
根据现场的额定参数和实际运行工况，再结合我公司的CHV160A系列的供水专用变频器在其它工程地应用情况，我公司为其改造设备配置如下变频器，其主要地参数如下：
序号
变频器项目
参数
1
变频器型号
CHV160A-037-4
2
额定输出功率
37KW
3
额定输入电流
76A
4
额定输出电流
75A
5
额定电压
380V
6
变频器数量
1台
说明
需要配置该变频器专用供水卡继电器输出
(2)、系统介绍
变频恒压供水控制系统主要是由CHV160A系列的供水专用变频器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及3台水泵和一台小流量泵等构成。其中CHV160A系列的供水专用变频器具有变频调速技术、PLC技术、PID控制技术等为一体，可组成完整的闭环自动控制系统。
如上图所示。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过变频器PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统；自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。变频器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和各泵的工作状态等信息。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。
(3)、电气控制系统原理图
　　电气控制系统原理图包括主电路图、控制电路图及I/O接线图三部分。在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。系统主要控制回路如下图所示：
n 主电回路图
如下图所示：四台电机分别为M1、M2、M3、M4。接触器KM1、KM2、KM3、KM4，分别控制M1、M2、M3、M4的工频运行；接触器KM5、KM6、KM7，分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3、FR4分别为四台水泵电机过载保护用的热继电器；QM1、QM2、QM3、QM4和QM5分别为四台泵电机和一台变频器主电回路的隔离空气开关； QF为主电回路的断路器；CHV160A系列的供水专用变频器。

 小区恒压供水系统主电回路图
n 控制电回路图
如下图所示：SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态，打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB4和ST1~ST4控制四台泵的起/停；自动运行时，变频器系统程序逻辑控制下运行。
小区恒压供水系统控制电回路图
n I/O接线图
CHV160A系列的供水专用变频器提供I/O接口有8路数字量输入，3路继电器输出，可串接扩展供水卡8路继电器输出，2路模拟量输入，2路模拟量输出，以上提供的用户端子均为可编程端子，每个端子的功能都可以使用功能码进行设定。详情见下表I/O接口配置。
名           称
代码
说明
输入信号
正转运行（DI接口）
S1
干接点，闭合时变频器运行。
A#水泵无效（DI接口）
S2
干接点，闭合时A#水泵不参与变频器的切换逻辑运行。
B#水泵无效（DI接口）
S3
干接点，闭合时B#水泵不参与变频器的切换逻辑运行。
C#水泵无效（DI接口）
S4
干接点，闭合时C#水泵不参与变频器的切换逻辑运行。
PID切换（1DI接口）
S5
干接点，闭合时系统切换消防供水时高恒压值运行，
水池下限信号（DI接口）
S6
干接点，闭合时系统按照非正常备用压力运行，
水池上限信号（DI接口）
S7
干接点，闭合时系统按照正常设置压力运行，
水池缺水水位（DI接口）
S8
干接点，闭合时系统停止所有水泵运行，
压力给定信号（AI接口）
AI1
4-20mA对应 0～额定频率，带载能力≥250Ω
压力反馈信号（AI接口）
AI2
4-20mA对应 0～额定频率，带载能力≥250Ω
输出信号

A#泵变频运行（DO接口）
RT1
常开点，闭合时表示A#泵变频运行
A#泵变频运行（DO接口）
RT2
常开点，闭合时表示A#泵工频运行
B#泵变频运行（DO接口）
RT3
常开点，闭合时表示B#泵变频运行
B#泵变频运行（DO接口）
RT4
常开点，闭合时表示B#泵工频运行
C#泵变频运行（DO接口）
RT5
常开点，闭合时表示C#泵变频运行
C#泵变频运行（DO接口）
RT6
常开点，闭合时表示C#泵工频运行
休眠泵工频运行（DO接口）
RT7
常开点，闭合时表示休眠泵工频运行
超压报警输出（DO接口）
RO1
常开点，闭合时表示超压报警输出
变频器故障输出（DO接口）
RO2
常开点，闭合时表示变频器故障输出
水池缺水报警输出（DO接口）
RO3
常开点，闭合时表示水池缺水报警输出
网管压力反馈信号（AO接口）
AO1
4～20 mA， 带负载能力250Ω
变频器运行电流信号（AO接口）
AO2
4～20 mA, 带负载能力250Ω
小区恒压供水系统I/O硬接线控制配置图
(4)、变频器系统控制方式
　　该系统具有手动和自动两种运行方式：
(4．1)、手动运行方式
　　选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。
(4．2)、自动运行方式
u 启动程序
在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，A#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈变频器I/O接口，由变频器PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将A#泵切换为工频，B#泵变频交流接触器吸合，变频启动B#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力，依次类推增加水泵。
u 水泵切换程序
　　如用水量减小，出水压力超过设定压力，则变频器PID控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，变频器开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，变频器放弃计时，继续变频调速运行;若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，变频器将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值
u 启动小流量泵
　　对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水泵。例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，一台37kW的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右，电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。若系统中设置一台11KW左右的小流量休眠水泵，为了维持出水压力，而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，扬程和主泵相同。
u 水池水位检测
　　在自动供水的过程中，变频器实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，发出缺水报警信号;若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号;若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。
u 自动启动
　　有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，变频器会发出指令，发出警告，然后按自动运行方式变频启动A#泵，直到稳定地运行在给定水压值。
u 消防报警
当出现消防报警信号时，系统立即自动按照消防压力运行。
u 故障处理
　　变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障，发出报警信号，变频器发指令使全部水泵停机，然后A#泵工频运行经一定延时后根据压力变化情况再使B#泵工频运行。此时，变频器切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能发出警报声。条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。
五、CHV160A系列的供水专用变频器特点优点介绍
CHV160A系列的供水专用变频器是英威腾变频器家族中一款增强型供水专用变频器，其采用了先进的控制理论，可根据管网压力的变化自动调节水泵转速及水泵切换，实现管网水压恒定控制。
1、支持固定变频泵和循环变频泵两种供水模式。
n 固定变频泵
变频器控制其中一台泵作为固定变频泵，其余的泵则通过变频器可编程继电器来控制，最多可以控制1台固定变频泵加9台工频泵，起停的顺序先起先停。
n 循环变频泵
供水系统不固定那台泵作为变频器，当系统压力足时，正在运行的变频泵先切换到电网工频工频运行，然后变频器启动下一台新泵作为变频泵，同一时刻只能是一台变频泵运行，其余泵可以在工频运行，最多可以控制4台循环变频泵加2台工频泵，起停的顺序先起先停。
2、多段压力设定
每天可达八段压力设定，可随时间不同，更改压力给定量。如为适应生活供水中的3个用水高峰期的流量波动，设置三个高压力供水时段。

3、优化的供水PID功能
具有供水和抽水两种正负特性可供选择，还可以实现两套PID的切换，满足一些用户的特殊场合（如生活用水和消防用水共用）。
4、休眠控制功能
能使系统进入休眠控制状态，并能控制专用的休眠小泵，如参数设置休眠唤醒使能，将能唤醒工变频运行；特别适合夜间供水急剧减少的时刻。

5、定时轮换功能
经过设定的时间，让系统中的水泵进行轮换，使系统中的所有水泵轮流参与运行工作，有效地防止泵的锈死现象，提高设备的综合利用率。降低维护费用。当泵的容量基本相同时，选择定时轮换功能比较合适，以免造成系统工作的震荡。
6、进水池液位检测及控制功能
对清水池的液位进行检测及控制，当进水池水位由高到低变化，水位高于下限水位时，系统按照正常设定压力运行；当水位低于下限水位而高于缺水水位，系统按照非正常备用压力运行；当水位低于缺水水位时，系统停止所有的运行。
当进水池水位由低到高变化，水位低于下限水位前，系统不运行；当水位高于下限水位而低于上限水位，按照非正常备用压力运行；高于上限水位后，系统恢复正常压力运行。
7、压力容差范围调节功能
PID调节有容差范围,当反馈压力在设定压力值的偏差极限内,压力调节器停止调节,以提高压力调节系统的精度与稳定性。

8、平滑的水泵切换功能
当进行加减泵时，始终保持一台变频泵运行中，以使管网的压力不会突变。对变频泵投切到工频泵，可设定变频泵投切频率，变频泵运行在较高的频率，再投切到工频运行，保证管网压力的稳定。

9、排污泵控制功能
通过对排污泵的控制，实现对污水池的水位进行控制，实现自动排污。
10、丰富的保护功能
可对系统进行全方位的保护。提供多达26种故障保护功能：过流、过压、欠压、过温、缺相、过载等保护功。
六、节能分析
1、节电原理
阀门调节法主要通过调节出水管的开度来调节流量，实际是通过改变管道的阻力来改变水的流量。阀门调节时，管阻特性随着阀门开度的变化而变化，而电机恒速运行，因此扬程特性并不改变。如下图所示，当流量从QA下降到QB时稳定工作点由A点移到B点，供水功率PA与0EBF区域的面积成正比。
转速调节法是通过改变水泵转速来改变水的流量。管道一般处于全开状态，如果水泵转速改变，则全扬程也改变。采用转速调节法时，扬程随着转速改变而改变，但管阻特性则保持不变。如图3所示，当流量从QA下降到QB时稳定工作点由A点移到C点，供水功率PB与0ECH区域的面积成正比。
从下图可看出，采用转速调节法比采用阀门调节法节约的功率△ P与HCBF区域的面积成正比。

由水泵特性得出以下关系：
流量与转速成一次方关系：Q1/Q2 = n1/n2；
扬程与转速成二次方关系：H1/H2 = ( n1/n2 ) 2
电机轴功率与转速成三次方关系：P1/P2 = ( n1/n2 ) 3
由上述推导可以知道，采用转速调节法的节能效果很明显。随着变频调速技术不断成熟，恒压供水采用变频器来控制水泵转速。由电机转速公式：n=60f/p，其中，n为电机同步转速，f为供电频率，p为电机极对数，可知电机供电频率f与转速成正比。这样，采用变频器调速时，变频器的输出频率与流量、扬程及电机轴功率也有上述的n次方（n=1,2,3）比例关系。

2、节电效果预测
37kW水泵配套电机在阀门调节方式的正常生产情况下平均轴功率为30kW左右，如采用转速调节方式后，按保守的25%的节电量计算，按照一般小区供水全年运行8760小时计算，本项目年节电量为：电机功率×时间×节电率＝30KW×8760小时×25%＝65700kWh，按每kWh电费0.5元计算，年节电费为：65700kWh×0.5元=32850元。
对于设备总投资而言，仅需一、二年即可收回投资。另外，变频器改造后，对整个控制工艺有较大改善，对生产成本也有一定的降低，综合考虑，变频改造具有以下几方面的优点：
² 节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；
² 网侧功率因数提高：原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.84左右，实际运行功率因数远低于0.8。采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.9以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备运行费用。
² 设备运行与维护费用下降：由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机转速也降低，主设备及相应辅助设备磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；变频器运行中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。
² 用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小。风机启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音。
² 联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。
² 控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。
² 自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。
七、结束语
将变频控制技术运用于恒压供液领域，控制上增加专用的控制模块，提供了一种优化的恒压供水方案，使用此专用变频器组装供水自动控制系统，具有投资少，自动化程度高，保护功能齐全，运行可靠，操作简便，节水节电效果显著，尤其对水质不构成二次污染，具有优异的性能价格比，是取代水塔、高位水箱、无塔上水器的最理想设备。
随着变频调速技术的飞速发展，变频调速恒压供水技术在小区已普遍使用。用变频器来实现恒压供水，与其它供水方式相比较而言，其优点是非常明显的。节能效果十分显著，启动平稳，启动电流小，避免了电机启动时对电网的冲击，延长了泵和阀门等的使用寿命，消除了启动和停机时的水锤效应。供水控制系统提高了小区的供水质量，各项控制指标达到了用户的要求。
█ 参考文献
1.《CHV160A供水专用变频器说明书》 英威腾电气股份有限公司
2.《传感器的原理及应用》 北京航空航天大学出版社
3. 交流电动机变频调速节能技术指南 (国家经济贸易委员会节能信息传播中心编).