变频调速恒压供水系统

1 单泵恒压供水系统

1.1 恒压供水的目的与系统构成

　(1) 系统的构成

恒压供水系统的框图如图1所示。PS是压力变送器，它在测量管道内压力p的同时，还将测得的压力信号转换成电压信号或电流信号。该信号在控制系统中作为反馈信号，用XF表示。所以，反馈信号也就是实测的压力信号，即 xF∝p。

变频器预置为PID控制方式，XF接至变频器的反馈信号输入端VPF(电压信号)或IPF(电流信号)。

与用户要求的压力大小对应的信号称为目标信号，用XT表示。由电位器RP或键盘直接给出。

1.2 PID控制概述

(1) 系统的工作方式

变频器内部PID调节功能的框图如图2所示，XT和XF两者是相减的，其合成信号XD=(XT-XF);经过PID调节处理后成为频率给定信号XG，决定变频嚣的输出频率fx。

当用水流量减小，使QG>Qu时，则供水压力P↑→XF↑→ XD↓→fx↓→电动机转速nx↓→QG↓→QG=QU直至压力大小回复到目标值(XF≈XT)，从而达到平衡;

反之，当用水流量增加，使QG →XD↑→fx↑→nx↑→QG↑→QG=QU→XF≈XT，又达到新的平衡。

因此，供水系统总是根据用户的用水情况不断地处于自动调整状态中。[p] (2) PID调节的原理

①问题的提出 上述工作过程存在着一个矛盾：一方面，我们要求水管的实际压力(其大小与XF成正比)应无限接近于目标压力(其大小与XT成正比)，即要求XD=(XT—XF)→ 0;另一方面，变频器的输出频率fx又是由XT和XF相减的结果来决定的。所以，如果把(xT-xF)直接作为给定信号xG，系统将无法工作。

② 比例增益环节(P)解决上述矛盾的方法是：进行放大后再作为频率给定信号：

XG=KP(XT-XF) (1)

式(1)中，KP为放大倍数，即比例增益。

上述关系如图3所示。由于XG是(XT-XF)成正比放大的结果，故称为比例放大环节。另一方面，XG又是使变频器输出某一频率fx所必须的信号。显然，KP越大，则(XT-XF)=XG/KP越小，XF越接近于XT。

这里，XF只能是无限接近于XT，却不能等于XT，即XF和XT之间总会有一个差值，称为静差，用ε表示。该值应该越小越好。显然，比例增益KP越大， ε越小。

在专用PID调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带”来进行调节的。比例带就是按比例放大的区域，用P表示(等于是Kp的倒数)，如图4所示。P越小，相当于KP越大。但在几乎所有变频器内置的PID调节功能中，都是直接预置KP的。

比例增益环节的引入，减小了系统稳定后的静差ε，如图5(a)所示。于是又出现了新的矛盾：为了减小静差ε，应尽量增大比例增益KP，但由于系统有惯性，KP过大容易引起被控量(压力)忽大忽小，形成振荡，如图5(b)所示。

③积分环节(1) 引入积分环节的目的是：

· 使给定信号XG的变化与乘积KP(XT—XF)对时间的积分成正比。即尽管KP(XT-XF)一下子增大(或减小)了许多，但XG只能在“积分时间”内逐渐地增大(或减小)，从而减缓了XG的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，xG的变化越慢;

· 只要偏差不消除(xT-XF≠0)，积分就不停止，从而有效地消除静差，如图5(c)所示。

但积分时间太长，又会发生当被控量(压力)急剧变化时难以迅速恢复的情况。

④微分环节(D)其作用是：可根据偏差的变化趋势，提前给出较大的调节动作，从而缩短调节时间，克服了因积分时间过长而使恢复滞后的缺点，如图5(d)所示。

在供水系统中，当对过渡过程时间的要求并不严格时，通常用PI调节。[p] 常用的压力变送器与PID调节功能的预置#e#1.3 常用的压力变送器与PID调节功能的预置

(1) 常用的压力变送器

① 压力传感器是一种能够将压力信号转换成电压信号或电流信号(通常为4—20mA)的装置。当距离较远时，应选用电流信号，以消除因线路压降引起的误差。其接线图如图6(a)所示。

② 远传压力表其基本结构是在压力表的指针轴上附加一个能够带动电位器滑动触点的装置。因此，从电路器件的角度看，实际上是一个电阻值随压力而变的电位器。使用时，需另行设计电路将压力的大小转换成电压或电流信号。通常，变频器内可以提供转换电路所需的电压，如成都希望森兰变频器制造有限公司BTl2S变频器中，可提供24V直流电压，其接线方法如图6(b)所示。

(a) 压力传感器 (b) 远传压力表

远传压力表的价格较低廉，但由于电位器的滑动点总在一个地方磨擦，故寿命较短。

(2) PID功能的预置

①预置PID功能 预置的内容是：变频器的PID功能是否有效。当变频器的PID调节功能有效后，其升、降速过程将完全取决于由P、I、D数据所决定的动态响应过程，而原来预置的“升速时间”和“降速时间”将不再起作用。

② 目标值XT的预置 PID调节的根本依据是反馈量XF与目标值XT之间进行比较的结果。因此，准确地预置目标值XT是十分重要的。主要有以下两种方法：

· 面板输入式只需通过键盘输入目标值XT。其确定方法通常是： 目标压力与传感器量程之比的百分数。例如，某供水系统要求的压力(目标压力)为2MPa，所用压力表的量程是0—5Mpa时，则目标值为40%。

· 外接给定式 由外接电位器进行预置，但显示屏上仍显示目标值的百分数。

(3) PID调节的运行特点

当变频器按P、I、D调节规律运行时，需要注意以下两点：

· 变频器的输出频率(fx)只根据实际压力(XF)与目标压力(XT)比较的结果进行调整，所以，频率的大小与被控量之间并无对应关系;

· 变频器的输出频率(fx)始终处于调整状态，因此其数值常不稳定。[p] 1.4 变频器的功能预置

(1) 一般运行功能

① 上限频率 水泵的机械特性具有平方律特点，当转速超过额定转速时，负载的阻转矩将增大很多，导致电动机的严重过载。所以，上限频率(fH)不应超过额定频率(fN)，即

fH≤fN。

②下限频率 在决定下限频率时，有两种情况应予考虑：

· 水泵的扬程必须满足供水所需的基本扬程;

· 供水系统常常是多台水泵共同供水，如果其他水泵在高速下运行，一台水泵转速过低，实际上将无法供水。

故下限频率一般预置为：fL≥(30—35)Hz

③ 升，降速时间 水泵由于水管中有一定压力，在升、降速过程中，惯性的作用极微。但过快地升速或降速，会在管道中引起水锤效应。所以，也应将升、降速时间适当预置得长一些。

④ 升、降速方式 通常预置为线性方式。

(2) 暂停(睡眠与苏醒)功能

① 睡眠功能 当变频器的工作频率已经降至下限频率，而压力仍偏高时，水泵应暂停工作(使变频器处于睡眠状态)。以森兰BTl2S系列变频器为例，当压力传感器的量程为1MPa，而所要求的供水压力为0.2MPa时，则目标值为 20%，“睡眠值”可设定为21%—25%(相当于压力的上限)。

② 苏醒功能 当水管中的压力小于某一下限值时，应使系统中止睡眠而重新开始工作(即中止暂停或称之为“苏醒”)，苏醒值可设定为15%—19%。

2 1控3的恒压供水系统

1控3是由1台变频器控制3台水泵的工作方式，其目的是减少设备费用。但显然，3台水泵中只有1台是变频运行的，其总体节能效果不能与用3台变频器控制3台水泵相比。

2.1 1控3的工作方式

设3台水泵分别为1号泵、2号泵和3号泵，工作过程如下：

先由变频器起动1号泵运行，如工作频率已经达到 50Hz，而压力仍不足时，将1号泵切换成工频运行，再由变频器去起动2号泵，供水系统处于“1工1变”的运行状态;如变频器的工作频率又已达到50Hz，而压力仍不足时，则将 2号泵也切换成工频运行，再由变频器去起动3号泵，供水系统处于“2工1变”的运行状态。

如果变频器的工作频率已经降至下限频率，而压力仍偏高时，则令1号泵停机，供水系统又处于“1工1变”的运行状态;如变频器的工作频率又降至下限频率，而压力仍偏高时，则令2号泵也停机，供水系统又回复到1台泵变频运行的状态。这样安排，具有使3台泵的工作时间比较均匀的优点。

2.2 1控3的控制电路

很多变频器都带有专用于由1台变频器控制多台水泵的附件，称为扩展板。以森兰BTl2S系列变频器为例，其控制电路如图7所示。接触器KM1用于接通变频器的电源;IKM2、 2KM2、3KM2分别用于将电动机M1、M2、M3接至变频器的输出端;IKM3、2KM3、3KM3分别用于将电动机M1，M2、 M3接至工频电源。除KM1外，其余6个接触器都由继电器扩展板进行控制。

　2.3 1控3的功能预置

除常规的功能外，BTl2S系列变频器专门针对由1台变频器控制多台水泵的控制方式设置了与继电器扩展板相配合的功能，如表1所示。该功能十分方便用户进行预置。