高层楼宇恒压供水变频节能调速原理与实践

高层楼宇恒压供水变频节能调速原理与实践

广西经贸职业技术学院

蒙联光

梁丽艳

李

莉

［摘

要］

高层楼宇恒压供水在现代生活中必不可少，

人们对供水系统的质量、能耗和可靠性的要求越来越高。质量可靠的供水设备和先进的现代控制技术是保证供水系统安全、高质、节电的前提条件。实践证明本文介绍的变频调速恒压供水系统能够达到上述要求。变频调速恒压供水系统应用技术成熟，具有实用性和推广价值，为供水领域开辟了节能增效切实可行的新途径。

［关键词］

恒压供水

变频调速

节能

1前言

高层楼宇供水系统在人们生活中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和高层楼宇不断增多，人们对供水系统的质量、能耗和可靠性的要求越来越高。恒压供水变频调速系统能够满足现代生活的供水要求。

高层楼宇变频恒压供水系统采用德国西门子公司先进的可编程序控制器（S7－200系列）和瑞士ABB电气公司的变频器（ACS510）。S7－200具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求。ACS510是专为风机、水泵控制系统设计的，具有很高的运行可靠性、功能多样性、灵活机动和全面而完善的控制功能。变频调速恒压供水方式不仅能保证供水系统的稳定性和可靠性，而且能实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量和供水系统的安全系数。

2供水系统的基本特性概述

如果供水系统管路中的阀门开度不变，水泵在某一转速下运行，供水系统的基本特性见图1。扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q之间的关系。图1中的x曲线表明，流量

Q越大，扬程H越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况

下，流量Q的大小主要取决于用户的用水情况。

管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系，如图1中的y曲线。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大，流量

Q的大小反映了供水系统的供水能力。管阻特性反映了水泵

转动时的输出能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动所受到的阻力的变化规律。

图1

供水系统的基本特性

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中的A点。这一点表明用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统处于稳定运行状态。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程HA、流量QA稳定，供水系统的压力也保持恒定。

3变频恒压供水系统的构成及原理3.1

系统的构成。

现以“一拖三”模式的变频恒压供水系统来分析其原理。系统的组成及功能是S7－200可编程序控制器（下称“PLC”）作为控制部件，变频器ACS510作为频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，远传压力表作为用户管网中压力的反馈元件。其中PLC选用S7－200系列，其内部模块CPU224，有数字量14路输入／10路输出。对于小型的控制系统而言已足够用。

三相交流电源与ACS510的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电通过接触器送至水泵异步电动机，水泵电机得电变频运行。另一路，S7－200数字输出口输出控制信号到交流接触器，由交流接触器直接给水泵电机接通工频三相交流电源，水泵电机得电工频运行。同时，远传压力表将用户管网中的压力转变成电压信号，并将压力信号输入到ACS510的模拟输入口，与压力给定电压比较，输出压力控制电压，调整ACS510输出电压的频率，从而达到稳定用户管网中水压的作用。系统的结构如图2所示。

27研究与探讨

图2

高层楼宇恒压供水系统结构框图

3.2系统的变频节电原理。

变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水的。通过变频器调节电动机的输入交流电源频率f来调节异步电动机的转速n，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，其通过改变定子电源频率来改变同步转速从而实现调速的。

根据电机学可知，异步电机的转速为：

n=60f（1-S）

P（1）（1）式中，

S=n0-n

n（2）

0

上述（1）、（2）式中，n0为异步电机同步转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子电源频率；S为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。

由（1）式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比。

如果不考虑装置效率的影响，假设电动机的输入功率等于风机、泵类装置的轴功率，则恒转矩负载的轴功率正比于电动机转速。如转速下降10％，则功率亦下降10％，所以风机、泵类属于平方型负载。因此，在理论上分析，改变离心水泵的转速时，水泵特性的关系式有下列各式：

QQ=n（3）eneHH=（n）2（4）enePP=（nn）3（5）ee

从式（5）得：

P=Pe×（nn）3

（6）

e

上列各式中，Q为水泵运行时实际流量；Qe为水泵额定流量；H为水泵实际扬程；He为水泵额定扬程；P为运行时的轴功率；Pe为电机的额定功率；n为运行转速；ne为额定转速。

从上列各式可以看出，在保证管道压力和水流量在设计

28值的前提下，可降低水泵的运行转速。如果运行转速是额定转速的一半，从（6）式的计算结果看，运行时的功率为电机额定功率的八分之一。实际上，根据多年安装实践，如在变频器运行参数设置“睡眠”参数，并加装稳压气罐，系统节电能达到

20％左右。如果供水系统采用水泵进水口无负压变频调速恒

压供水，其节能效果更加显著，实践证明可达到50％左右。

3.3变频恒压供水系统的工作过程。

启动系统，并将运行状态转换开关置在自动位置（此时手

动模式无效）。ACS510软起动1＃泵电机。在用水量高峰时期，系统的用水量增加，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，变频器使1＃泵电机输入交流电源的频率升高，电机转速上升，供水水压升高。当交流电的频率达到最大频率50Hz时，供水水压仍然小于设定值，1＃泵电机自动切换到工频状态，同时2＃泵电机软启动并工作在变频运行状态。如果2＃泵电机的电源频率达到最大值，供水水压仍然小于设定的水压时，2＃泵电机自动切换到工频状态下，同时3＃泵电机软启动并工作在变频运行状态……。如果1＃、2＃泵电机在运行，系统用水量递减，扬程升高，供水量过大，2＃泵电机会自动退出变频状态软停车。

1＃泵电机由工频切换到变频状态。这样，变频器根据用户管网

压力反馈信号不断地调节其输出交流电的频率，系统始终保持供水的设定值。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统维护期间，系统才会采用手动模式。手动模式时，用户根据需要，利用运行状态转换开关1SAC及2QF、3QF、4QF、5QF断路器，控制1＃、2＃泵或3＃泵电机同时或者单独运行在工频状态。由于水泵电机功率较小而且在维护维修期间，电机可直接启动（10kW或以下），不用安装降压启动器。

从图2可以看出，远传压力表从供水管网反馈信号到

ACS510的模拟输入口AI1，与给定的供水压力信号比较形成

压力偏差信号，经过ACS510的PID调节器，使变频器输出相应的三相交流电源的频率，水泵电机运行在相应转速，达到稳定用户管网水压的目的。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环调速控制系统，其根据三个水泵运行就可以完全满足全部用户的用水需求而设置的。如果供水容量大，则可使用“一拖四”、“一拖五”等模式。模式改制也容易。具体请详细参阅有关资料。

4恒压供水系统主电路及控制程序设置

4.1变频恒压供水系统主电路及交流控制回路。

变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关QF、熔断器FU、交流接触器KM、热继电器FR等组成，采用了一台变频器切换控制三台泵电机，1＃泵电机、2＃泵电机和3＃泵电机可在工频和变频状态下进行切换，6只交流接触器的通断都由PLC（S7－200）控制。主电路如图3所示。

研究与探讨

信号线屏蔽层

图5ACS510变频器端子接线示意图

29研究与探讨

该设置为50Hz，最低频率设置为30Hz。ACS510变频器端子接线见图5。

五

结束语

应用西门子PLC（S7－200）和变频器ACS510的无级调速恒压供水系统，供水效果突出，抗干扰能力强。采用变频器对电机实行软起动，启动时冲击电流很小，启动能耗小，减少了设备损耗。并且水泵实行软停车，减少水锤效应，避免对供水管道及设施的冲击，降低了设备的维修率，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以用户管网水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实践表明，采用PLC（S7－

参考文献

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2001．

［2］彭旭昀．一种基于变频器PID功能的PLC控制恒压供水系统［j］．机电工程技术，2005．

［3］陈新恩，王永祥．基于S7－200的变频调速恒压供水系统［j］．制造业电气，2006．

［4］朱玉堂．变频恒压供水系统的研究开发与应用［d］．浙江大学，2005．

［5］《ACS510用户手册》［M］．北京ABB电气传动公司,

200）和变频器ACS510构成的变频恒压供水系统，能节约用

电，具有很强的实用性和推广价值，体现了变频调速恒压供水的技术优势，应用技术也比较成熟，为供水领域开辟了节能增效切实可行的新途径。

2008．

［6］《S7－200可编程序控制器（中国）有限公司,2008．

产品目录》［M］．西门子

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!住宅安装有妙招，保温又节能

节能建筑既节能又舒适，是中国未来建筑必然的发展趋势。而当下，既有建筑的节能改造还没有大刀阔斧地开展来，普通住宅还将长期存在。虽然普通住宅在建筑设计和原材料上不及节能住宅，但是依靠科学，通过大家无限的智慧和实践，我们可以在住宅安装上打打节能保温的“主意”。“没有做不到，只有想不到”，节能，普通住宅也可以做到。

的框料以及阻断热桥等措施，减小窗户的传热系数，增强保温性能；二是通过改善窗户制作安装精度、加安密封条等办法，减小空气渗漏，减少冷风渗透耗热。

8．玻璃窗

双层玻璃窗因为在两层玻璃之间形成一个密闭的空气间层，这个空气间层具有较大的热阻，使得窗户具有较好的保温性能。玻璃表面涂镀一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜成为镀膜薄膜，通过改变玻璃的光学性能，进而改善了玻璃的传热特性，能够大幅度地降低建筑能耗。

1．防盗门

定制或加工防盗门时，可要求在门腔内填充玻璃棉或矿棉等防火保温材料，这样可以起到既节能又保温的效果。

2．天花板

住宅天花板吊顶时，特别是位于顶层的住宅可在吊顶纸面石膏板上放置保温材料，提高保温隔热性。

9．瓷砖

通过红外反射材料包裹等技术制备供陶瓷墙地砖使用的原料，在外墙砖的表面复合上一层含金属铝或其他反射率高的材料的釉层，减少了对太阳光能量的吸收。

3．地板

铺设木地板时，可以在板下放置矿棉板、阻燃型泡沫组合料等保温材料，也可起到保温作用。

10．阳台

在厅与阳台之间装一道门，门面采用窗格式，美观大方又明亮。如果阳台比较宽，可以在阳台墙面做一排低柜，这样可以起到隔绝冷空气和保温的作用。还可以在阳台与厅之间的位置安装一套厚门帘，也可以起到一定隔热保温作用。

4．地采暖

有条件的家庭可在地板下安装热水加热或者电加热采暖装置，比传统的立式暖气片加热效率更高。相比传统对流循环式加热供水温度要达到90度，回水温度要达到70度，低温辐射地采暖供水温度只需要40～45度，可节能20％。

11．屋顶

别墅住户或住宅顶层住户可通过绿化屋顶的方式降低室内温度，减少室内降温能耗。

5．窗帘

建议采用把窗户盖严的短窗帘，如果还设有一层百叶窗帘，则保温效果更佳。窗帘及百叶窗帘设置方法不同时，窗的耗热量比例存在很大差异，用短窗帘搭配百叶窗帘，可减少耗热量30％。

12．增温装置

防止增温装置被家具、窗帘遮挡，及时除尘以改进效率。如果家里装设壁炉，防止热量从闲置的壁炉烟囱里散失，不用时封闭烟道。如果采用水暖式增温设备，将出水管进行隔热处理。

6．遮阳设施

窗户使用能反射太阳热量的玻璃或者装有外遮阳设施，可使住宅隔热性能大大提高，夏季使用空调降温的天数减少。

（俸雨霞）

（摘自《中国节能服务》）

7．窗户

对于采暖建筑的窗户，一是通过窗户加层，用导热系数较小

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