变频调速技术的发展历程（四代变频控制技术）

变频调速供水设备主要的组成部分为电气控制系统、泵组和管路。回顾变频调速设 备的发展历程，泵组的效率得到了很大的提高，同时电气控制元器件也不断地更新换代， 这一切都为变频调速供水最大限度地节能提供了基础[50]。就变频控制而言，变频控制技 术有以下四个发展过程：

(1)   控制柜控制的单变频控制技术：多台水泵共用一台变频器，控制柜控制，水泵 机组运行采用一台泵变频调速，多台泵定速的组合运行方式；

(2)   数字集成控制器的单变频控制技术：多台水泵共用一台变频器，数字集成控制 器，水泵机组运行采用一台泵变频调速，多台泵定速的组合运行方式；

(3)   多变频控制技术：两台水泵配备变频器，数字集成控制器，水泵机组运行采 用两台泵变频调速，其余泵为定速的组合运行方式；

(4)   全变频控制技术：每台水泵配备一台变频器，变频控制器控制，水泵机组运 行采用全变频组合运行方式。

以下我们对变频调速技术先后经历的四个发展阶段进行阐述和分析。

(1)   第一代单变频控制技术

早期的变频调速供水设备是在传统水泵继电器控制电路的基础上增加了 PLC控制 器和一个变频器来进行控制的，控制系统由一个包含变频器、PLC控制器、继电器、交 流接触器、各类连接导线等触点开关类电气元器件的控制柜组成，如图5.1所示。此设 备在运行中存在诸如以下缺点：①设备中水泵的变频调速运行完全依靠继电器电路来控 制，水泵的运行也只能实现自动启停和手动应急启停；②控制电路元器件较多、触电之 间的来回切换易发生故障、元器件发热会产生较大能耗。③控制柜体积大，占用较大的 空间④当水泵由变频切换为工频状态工作时，新投入运行的水泵从零流量至正常供水通 常会存在一个时间差(36〜180s),引起系统流量和水压波动，影响用户用水舒适性。 

显,J;W 变频器 继电器元件

■ PLC、扩展模块 ■ DC24V开关电源

图5.1 PLC单变频控制柜

由于早期的变频调速设备存在以上诸多不足，从而被第二代变频调速供水技术所取 代---数字集成控制器的单变频控制技术。

0)第二代单变频控制技术（局部数字化电路控制）

第二代变频调速控制电路由内置PID技术的水泵专用半导体数字集成控制器（如图 5.2)、一台变频器组成代替早期的继电器控制电路，即由半导体数字集成控制电路取代 继电器控制电路。

图5.2数字集成控制器

这一技术与早期的继电器控制单变频控制技术相比主要有以下优点：

(1)数字集成控制器包含了水泵变频与控制有可能用到的所有功能，从而减少了 继电器等电气元器件，触电少，故障率低，提高了整机运行的安全性、可靠性。 

(2)   它采用内置程序和菜单式液晶显示方式，产品高度标准化，无需现场调试人 员现场编程，设备维护管理更加人性化，更加便捷。

这种第二代变频调速控制技术目前在国内二次供水泵站中广泛使用，而国外发达国 家已经开始逐步淘汰这类技术。这类技术存在的缺点是：同早期变频调速技术相同，其 控制原理也是通过一个变频器及相关的电气元件控制，根据系统流量的变化进行变频调 速、调速运转切换为工频运转、加减泵等操作。在前面第四章分析过，在同型号变频调 速恒压供水技术中，只对一台泵进行变频调速是存在流量失调区的，从而无法使整个系 统真正意义上的高效运转。

(3)   第三代多变频控制技术

由于第二代变频控制技术无法解决流量失调区的问题，因此逐渐发展出了利用两台 调速泵调速，其他为定速泵的控制技术。此技术虽然解决了流量失调区的问题，但是水 泵与水泵之间没有互联互通，运行的情况和信息没有共享，难以保证各调速泵是等量均 衡调速。因此，在第三代多变频控制技术的基础上发展出了全变频控制技术，根据第四 章分析的变频调速恒压供水优化分析中对两台水泵调速解决流量失调区的理论，现在一 些国外公司开发出全变频调速恒压供水设备，此设备不仅为每台水泵配备一台变频器， 而且水泵机组运行采用变频一变频一变频组合运行方式。此设备使用两套或两套以上且 相互联动的独立多控制系统，这是第三代变频调速技术只使用一套控制系统所不具备 的。

(4)   第四代全变频调速供水技术

第四代全变频调速供水技术将变频器和控制器整合到一起，采用数字集成变频控制 器进行变频和电路控制。数字集成变频控制器采用的是全数字电路技术设计制造，按照 水泵变频调速和运行控制的需求，将水泵控制电路、输入输出信号电路、功率电路、通 风散热等功能组件进行模块化设计制造，然后将模块化的各功能组件集成在一个防护等 级在IP54以上的机壳中。数字集成变频控制器（如图5.3, 5.4)具有智能化程度高、自 身能耗小、扩展功能性强、操作便捷、安全可靠等诸多显著优点。数字集成控制器不仅 能够实现第一代和第二代控制柜的所有功能，同时还能做到功能的菜单化，根据工况自 行选定所需功能。全变频调速供水技术主要有以下特点：

①    数字集成变频控制器既是变频器，又是控制器，整套供水设备不用再设控制柜；

②    设备中每台水泵（主泵、备用泵、小流量泵）均配备有一台专用变频控制器

③    水泵变频控制器间通过CAN总线实现通讯，CAN总线采用了多主竞争式总线结 

构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节 点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实 现自由通信。每台水泵的变频控制器既相互独立又相互联动，使整套设备具有多个与水 泵一对一相互匹配的变频和控制大脑，设备中所有水泵共享系统运行数据信息，联动均 衡运行，克服工作水泵不在高效区的现象，实现真正意义上的高效运行[51]。

控制板模块

底崦（散热器）模块

图5.4数字集成变频控制器的内部组成

目前在国外发达国家该项技术已经被广泛使用，而国内现在处于接触和了解阶段， 

一些学者也做了大量工作。2015年5月1日实施了《数字集成全变频控制恒压供水设备 应用技术规程》CECS 393: 2015; 2015年3月全变频控制技术国家标准设计图集在北京 标准设计专家委员会上通过立项；2015年6月27日在上海成立“全国二次供水全变 频控制技术研发中心”，该研发中心挂靠在上海中韩杜科泵业制造有限公司。