變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) - 全文

1 單泵恒壓供水系統(tǒng)

　　1.1 恒壓供水的目的與系統(tǒng)構(gòu)成

　　　(1) 系統(tǒng)的構(gòu)成

　　恒壓供水系統(tǒng)的框圖如圖1所示。PS是壓力變送器，它在測量管道內(nèi)壓力p的同時，還將測得的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號或電流信號。該信號在控制系統(tǒng)中作為反饋信號，用XF表示。所以，反饋信號也就是實測的壓力信號，即 xF∝p。

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　　變頻器預(yù)置為PID控制方式，XF接至變頻器的反饋信號輸入端VPF(電壓信號)或IPF(電流信號)。

　　與用戶要求的壓力大小對應(yīng)的信號稱為目標(biāo)信號，用XT表示。由電位器RP或鍵盤直接給出。

1.2 PID控制概述

　　(1) 系統(tǒng)的工作方式

　　變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)功能的框圖如圖2所示，XT和XF兩者是相減的，其合成信號XD=(XT-XF);經(jīng)過PID調(diào)節(jié)處理后成為頻率給定信號XG，決定變頻囂的輸出頻率fx。

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　　當(dāng)用水流量減小，使QG>Qu時，則供水壓力P↑→XF↑→ XD↓→fx↓→電動機轉(zhuǎn)速nx↓→QG↓→QG=QU直至壓力大小回復(fù)到目標(biāo)值(XF≈XT)，從而達(dá)到平衡;

　　反之，當(dāng)用水流量增加，使QG →XD↑→fx↑→nx↑→QG↑→QG=QU→XF≈XT，又達(dá)到新的平衡。

　　因此，供水系統(tǒng)總是根據(jù)用戶的用水情況不斷地處于自動調(diào)整狀態(tài)中。

　　(2) PID調(diào)節(jié)的原理

　?、賳栴}的提出 上述工作過程存在著一個矛盾：一方面，我們要求水管的實際壓力(其大小與XF成正比)應(yīng)無限接近于目標(biāo)壓力(其大小與XT成正比)，即要求XD=(XT—XF)→ 0;另一方面，變頻器的輸出頻率fx又是由XT和XF相減的結(jié)果來決定的。所以，如果把(xT-xF)直接作為給定信號xG，系統(tǒng)將無法工作。

　?、?比例增益環(huán)節(jié)(P)解決上述矛盾的方法是：進(jìn)行放大后再作為頻率給定信號：

　　XG=KP(XT-XF) (1)

　　式(1)中，KP為放大倍數(shù)，即比例增益。

　　上述關(guān)系如圖3所示。由于XG是(XT-XF)成正比放大的結(jié)果，故稱為比例放大環(huán)節(jié)。另一方面，XG又是使變頻器輸出某一頻率fx所必須的信號。顯然，KP越大，則(XT-XF)=XG/KP越小，XF越接近于XT。

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　　這里，XF只能是無限接近于XT，卻不能等于XT，即XF和XT之間總會有一個差值，稱為靜差，用ε表示。該值應(yīng)該越小越好。顯然，比例增益KP越大， ε越小。

在專用PID調(diào)節(jié)器中，比例增益的大小常常是通過“比例帶”來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。比例帶就是按比例放大的區(qū)域，用P表示(等于是Kp的倒數(shù))，如圖4所示。P越小，相當(dāng)于KP越大。但在幾乎所有變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)功能中，都是直接預(yù)置KP的。

　　比例增益環(huán)節(jié)的引入，減小了系統(tǒng)穩(wěn)定后的靜差ε，如圖5(a)所示。于是又出現(xiàn)了新的矛盾：為了減小靜差ε，應(yīng)盡量增大比例增益KP，但由于系統(tǒng)有慣性，KP過大容易引起被控量(壓力)忽大忽小，形成振蕩，如圖5(b)所示。

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　?、鄯e分環(huán)節(jié)(1) 引入積分環(huán)節(jié)的目的是：

　　· 使給定信號XG的變化與乘積KP(XT—XF)對時間的積分成正比。即盡管KP(XT-XF)一下子增大(或減小)了許多，但XG只能在“積分時間”內(nèi)逐漸地增大(或減小)，從而減緩了XG的變化速度，防止了振蕩。積分時間越長，xG的變化越慢;

　　· 只要偏差不消除(xT-XF≠0)，積分就不停止，從而有效地消除靜差，如圖5(c)所示。

　　但積分時間太長，又會發(fā)生當(dāng)被控量(壓力)急劇變化時難以迅速恢復(fù)的情況。

　　④微分環(huán)節(jié)(D)其作用是：可根據(jù)偏差的變化趨勢，提前給出較大的調(diào)節(jié)動作，從而縮短調(diào)節(jié)時間，克服了因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺點，如圖5(d)所示。

　　在供水系統(tǒng)中，當(dāng)對過渡過程時間的要求并不嚴(yán)格時，通常用PI調(diào)節(jié)。

　　1.3 常用的壓力變送器與PID調(diào)節(jié)功能的預(yù)置

　　(1) 常用的壓力變送器

　　① 壓力傳感器是一種能夠?qū)毫π盘栟D(zhuǎn)換成電壓信號或電流信號(通常為4—20mA)的裝置。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)選用電流信號，以消除因線路壓降引起的誤差。其接線圖如圖6(a)所示。

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　?、?遠(yuǎn)傳壓力表其基本結(jié)構(gòu)是在壓力表的指針軸上附加一個能夠帶動電位器滑動觸點的裝置。因此，從電路器件的角度看，實際上是一個電阻值隨壓力而變的電位器。使用時，需另行設(shè)計電路將壓力的大小轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號。通常，變頻器內(nèi)可以提供轉(zhuǎn)換電路所需的電壓，如成都希望森蘭變頻器制造有限公司BTl2S變頻器中，可提供24V直流電壓，其接線方法如圖6(b)所示。

　　(a) 壓力傳感器 (b) 遠(yuǎn)傳壓力表

　　遠(yuǎn)傳壓力表的價格較低廉，但由于電位器的滑動點總在一個地方磨擦，故壽命較短。

　　(2) PID功能的預(yù)置

　　①預(yù)置PID功能 預(yù)置的內(nèi)容是：變頻器的PID功能是否有效。當(dāng)變頻器的PID調(diào)節(jié)功能有效后，其升、降速過程將完全取決于由P、I、D數(shù)據(jù)所決定的動態(tài)響應(yīng)過程，而原來預(yù)置的“升速時間”和“降速時間”將不再起作用。

　?、?目標(biāo)值XT的預(yù)置 PID調(diào)節(jié)的根本依據(jù)是反饋量XF與目標(biāo)值XT之間進(jìn)行比較的結(jié)果。因此，準(zhǔn)確地預(yù)置目標(biāo)值XT是十分重要的。主要有以下兩種方法：

　　· 面板輸入式只需通過鍵盤輸入目標(biāo)值XT。其確定方法通常是： 目標(biāo)壓力與傳感器量程之比的百分?jǐn)?shù)。例如，某供水系統(tǒng)要求的壓力(目標(biāo)壓力)為2MPa，所用壓力表的量程是0—5Mpa時，則目標(biāo)值為40%。

　　· 外接給定式 由外接電位器進(jìn)行預(yù)置，但顯示屏上仍顯示目標(biāo)值的百分?jǐn)?shù)。

　　(3) PID調(diào)節(jié)的運行特點

　　當(dāng)變頻器按P、I、D調(diào)節(jié)規(guī)律運行時，需要注意以下兩點：

　　· 變頻器的輸出頻率(fx)只根據(jù)實際壓力(XF)與目標(biāo)壓力(XT)比較的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，所以，頻率的大小與被控量之間并無對應(yīng)關(guān)系;

　　· 變頻器的輸出頻率(fx)始終處于調(diào)整狀態(tài)，因此其數(shù)值常不穩(wěn)定。

　1.4 變頻器的功能預(yù)置

　　(1) 一般運行功能

　?、?上限頻率 水泵的機械特性具有平方律特點，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩將增大很多，導(dǎo)致電動機的嚴(yán)重過載。所以，上限頻率(fH)不應(yīng)超過額定頻率(fN)，即

　　fH≤fN。

　?、谙孪揞l率 在決定下限頻率時，有兩種情況應(yīng)予考慮：

　　· 水泵的揚程必須滿足供水所需的基本揚程;

　　· 供水系統(tǒng)常常是多臺水泵共同供水，如果其他水泵在高速下運行，一臺水泵轉(zhuǎn)速過低，實際上將無法供水。

　　故下限頻率一般預(yù)置為：fL≥(30—35)Hz

　?、?升，降速時間 水泵由于水管中有一定壓力，在升、降速過程中，慣性的作用極微。但過快地升速或降速，會在管道中引起水錘效應(yīng)。所以，也應(yīng)將升、降速時間適當(dāng)預(yù)置得長一些。

　?、?升、降速方式 通常預(yù)置為線性方式。

　　(2) 暫停(睡眠與蘇醒)功能

　　① 睡眠功能 當(dāng)變頻器的工作頻率已經(jīng)降至下限頻率，而壓力仍偏高時，水泵應(yīng)暫停工作(使變頻器處于睡眠狀態(tài))。以森蘭BTl2S系列變頻器為例，當(dāng)壓力傳感器的量程為1MPa，而所要求的供水壓力為0.2MPa時，則目標(biāo)值為 20%，“睡眠值”可設(shè)定為21%—25%(相當(dāng)于壓力的上限)。

　　② 蘇醒功能 當(dāng)水管中的壓力小于某一下限值時，應(yīng)使系統(tǒng)中止睡眠而重新開始工作(即中止暫?；蚍Q之為“蘇醒”)，蘇醒值可設(shè)定為15%—19%。

　　2 1控3的恒壓供水系統(tǒng)

　　1控3是由1臺變頻器控制3臺水泵的工作方式，其目的是減少設(shè)備費用。但顯然，3臺水泵中只有1臺是變頻運行的，其總體節(jié)能效果不能與用3臺變頻器控制3臺水泵相比。

　　2.1 1控3的工作方式

　　設(shè)3臺水泵分別為1號泵、2號泵和3號泵，工作過程如下：

　　先由變頻器起動1號泵運行，如工作頻率已經(jīng)達(dá)到 50Hz，而壓力仍不足時，將1號泵切換成工頻運行，再由變頻器去起動2號泵，供水系統(tǒng)處于“1工1變”的運行狀態(tài);如變頻器的工作頻率又已達(dá)到50Hz，而壓力仍不足時，則將 2號泵也切換成工頻運行，再由變頻器去起動3號泵，供水系統(tǒng)處于“2工1變”的運行狀態(tài)。

　　如果變頻器的工作頻率已經(jīng)降至下限頻率，而壓力仍偏高時，則令1號泵停機，供水系統(tǒng)又處于“1工1變”的運行狀態(tài);如變頻器的工作頻率又降至下限頻率，而壓力仍偏高時，則令2號泵也停機，供水系統(tǒng)又回復(fù)到1臺泵變頻運行的狀態(tài)。這樣安排，具有使3臺泵的工作時間比較均勻的優(yōu)點。

　　2.2 1控3的控制電路

　　很多變頻器都帶有專用于由1臺變頻器控制多臺水泵的附件，稱為擴展板。以森蘭BTl2S系列變頻器為例，其控制電路如圖7所示。接觸器KM1用于接通變頻器的電源;IKM2、 2KM2、3KM2分別用于將電動機M1、M2、M3接至變頻器的輸出端;IKM3、2KM3、3KM3分別用于將電動機M1，M2、 M3接至工頻電源。除KM1外，其余6個接觸器都由繼電器擴展板進(jìn)行控制。

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?　2.3 1控3的功能預(yù)置

　　除常規(guī)的功能外，BTl2S系列變頻器專門針對由1臺變頻器控制多臺水泵的控制方式設(shè)置了與繼電器擴展板相配合的功能，如表1所示。該功能十分方便用戶進(jìn)行預(yù)置。