变频调速技术在消防给水设备中的应用探讨

　

摘要：文章时环保、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，以单片机电路控制方式为例，介绍了其工作原理。

关键词：变频调速技术 消防给水设备
l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
　　别采用调节出口和入口阀门的方式，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(vaiahle vaiahle firequency technology)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事，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
　　l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l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Pa)来表示。若用户需要水压为Pj，各个时间段需要补充的压力不同，其函数式为Py-P(t)o，也以时间t为变量的函数。

图l单片机电路控制方式原理图


图2单片机电路控制方式系统图
　　当P(I)Py时，系统不需补压，处于停泵状态。但当Pm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、Py、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；Py为用户所需要压力点；PI为超压停泵压力点。
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