變頻調速恒壓供水系統的組成及工作方式
2013-11-21 9:10:11??????點(diǎn)擊：
1 變頻調速恒壓供水系統
1.1 恒壓供水的目的與系統構成
(1) 變頻調速恒壓供水系統的構成
變頻調速恒壓供水系統的框圖如圖1所示。PS是壓力變送器，它在測量管道內壓力p的同時(shí)，還將測得的壓力信號轉換成電壓信號或電流信號。該信號在控制系統中作為反饋信號，用XF表示。所以，反饋信號也就是實(shí)測的壓力信號，即 xF∝p。
變頻器預置為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(hù)要求的壓力大小對應的信號稱(chēng)為目標信號，用XT表示。由電位器RP或鍵盤(pán)直接給出。
1.2 變頻調速恒壓供水系統PID控制概述
(1) 變頻調速恒壓供水系統的工作方式
變頻器內部PID調節功能的框圖如圖2所示，XT和XF兩者是相減的，其合成信號XD=(XT-XF);經(jīng)過(guò)PID調節處理后成為頻率給定信號XG，決定變頻囂的輸出頻率fx。
當用水流量減小，使QG>Qu時(shí)，則供水壓力P↑→XF↑→ XD↓→fx↓→電動(dòng)機轉速nx↓→QG↓→QG=QU直至壓力大小回復到目標值(XF≈XT)，從而達到平衡;
反之，當用水流量增加，使QG →XD↑→fx↑→nx↑→QG↑→QG=QU→XF≈XT，又達到新的平衡。
因此，供水系統總是根據用戶(hù)的用水情況不斷地處于自動(dòng)調整狀態(tài)中。
(2) 變頻調速恒壓供水系統PID調節的原理
①問(wèn)題的提出 上述工作過(guò)程存在著(zhù)一個(gè)矛盾：一方面，我們要求水管的實(shí)際壓力(其大小與XF成正比)應無(wú)限接近于目標壓力(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相減的結果來(lái)決定的。所以，如果把(xT-xF)直接作為給定信號xG，系統將無(wú)法工作。
② 比例增益環(huán)節(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，即比例增益。
上述關(guān)系如圖3所示。由于XG是(XT-XF)成正比放大的結果，故稱(chēng)為比例放大環(huán)節。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。
這里，XF只能是無(wú)限接近于XT，卻不能等于XT，即XF和XT之間總會(huì )有一個(gè)差值，稱(chēng)為靜差，用ε表示。該值應該越小越好。顯然，比例增益KP越大， ε越小。
在專(zhuān)用PID調節器中，比例增益的大小常常是通過(guò)“比例帶”來(lái)進(jìn)行調節的。比例帶就是按比例放大的區域，用P表示(等于是Kp的倒數)，如圖4所示。P越小，相當于KP越大。但在幾乎所有變頻器內置的PID調節功能中，都是直接預置KP的。
比例增益環(huán)節的引入，減小了系統穩定后的靜差ε，如圖5(a)所示。于是又出現了新的矛盾：為了減小靜差ε，應盡量增大比例增益KP，但由于系統有慣性，KP過(guò)大容易引起被控量(壓力)忽大忽小，形成振蕩，如圖5(b)所示。
③積分環(huán)節(1) 引入積分環(huán)節的目的是：
使給定信號XG的變化與乘積KP(XT—XF)對時(shí)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(shí)間”內逐漸地增大(或減小)，從而減緩了XG的變化速度，防止了振蕩。積分時(shí)間越長(cháng)，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(shí)間太長(cháng)，又會(huì )發(fā)生當被控量(壓力)急劇變化時(shí)難以迅速恢復的情況。
④微分環(huán)節(D)其作用是：可根據偏差的變化趨勢，提前給出較大的調節動(dòng)作，從而縮短調節時(shí)間，克服了因積分時(shí)間過(guò)長(cháng)而使恢復滯后的缺點(diǎn)，如圖5(d)所示。
在供水系統中，當對過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的要求并不嚴格時(shí)，通常用PI調節。
常用的壓力變送器與PID調節功能的預置#e#1.3 常用的壓力變送器與PID調節功能的預置
(1) 變頻調速恒壓供水系統常用的壓力變送器
① 壓力傳感器是一種能夠將壓力信號轉換成電壓信號或電流信號(通常為4—20mA)的裝置。當距離較遠時(shí)，應選用電流信號，以消除因線(xiàn)路壓降引起的誤差。其接線(xiàn)圖如圖6(a)所示。
② 遠傳壓力表其基本結構是在壓力表的指針軸上附加一個(gè)能夠帶動(dòng)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的裝置。因此，從電路器件的角度看，實(shí)際上是一個(gè)電阻值隨壓力而變的電位器。使用時(shí)，需另行設計電路將壓力的大小轉換成電壓或電流信號。通常，變頻器內可以提供轉換電路所需的電壓，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(xiàn)方法如圖6(b)所示。
(a) 壓力傳感器 (b) 遠傳壓力表
遠傳壓力表的價(jià)格較低廉，但由于電位器的滑動(dòng)點(diǎn)總在一個(gè)地方磨擦，故壽命較短。
(2) PID功能的預置
①預置PID功能 預置的內容是：變頻器的PID功能是否有效。當變頻器的PID調節功能有效后，其升、降速過(guò)程將完全取決于由P、I、D數據所決定的動(dòng)態(tài)響應過(guò)程，而原來(lái)預置的“升速時(shí)間”和“降速時(shí)間”將不再起作用。
② 目標值XT的預置 PID調節的根本依據是反饋量XF與目標值XT之間進(jìn)行比較的結果。因此，準確地預置目標值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(guò)鍵盤(pán)輸入目標值XT。其確定方法通常是： 目標壓力與傳感器量程之比的百分數。例如，某供水系統要求的壓力(目標壓力)為2MPa，所用壓力表的量程是0—5Mpa時(shí)，則目標值為40%。
外接給定式 由外接電位器進(jìn)行預置，但顯示屏上仍顯示目標值的百分數。
(3) PID調節的運行特點(diǎn)
當變頻器按P、I、D調節規律運行時(shí)，需要注意以下兩點(diǎn)：
變頻器的輸出頻率(fx)只根據實(shí)際壓力(XF)與目標壓力(XT)比較的結果進(jìn)行調整，所以，頻率的大小與被控量之間并無(wú)對應關(guān)系;
變頻器的輸出頻率(fx)始終處于調整狀態(tài)，因此其數值常不穩定。
1.4 變頻調速恒壓供水系統變頻器的功能預置
(1) 一般運行功能
① 上限頻率 水泵的機械特性具有平方律特點(diǎn)，當轉速超過(guò)額定轉速時(shí)，負載的阻轉矩將增大很多，導致電動(dòng)機的嚴重過(guò)載。所以，上限頻率(fH)不應超過(guò)額定頻率(fN)，即
fH≤fN。
②下限頻率 在決定下限頻率時(shí)，有兩種情況應予考慮：
水泵的揚程必須滿(mǎn)足供水所需的基本揚程;
供水系統常常是多臺水泵共同供水，如果其他水泵在高速下運行，一臺水泵轉速過(guò)低，實(shí)際上將無(wú)法供水。
故下限頻率一般預置為：fL≥(30—35)Hz
③ 升，降速時(shí)間 水泵由于水管中有一定壓力，在升、降速過(guò)程中，慣性的作用極微。但過(guò)快地升速或降速，會(huì )在管道中引起水錘效應。所以，也應將升、降速時(shí)間適當預置得長(cháng)一些。
④ 升、降速方式 通常預置為線(xiàn)性方式。
(2) 暫停(睡眠與蘇醒)功能
① 睡眠功能 當變頻器的工作頻率已經(jīng)降至下限頻率，而壓力仍偏高時(shí)，水泵應暫停工作(使變頻器處于睡眠狀態(tài))。以森蘭BTl2S系列變頻器為例，當壓力傳感器的量程為1MPa，而所要求的供水壓力為0.2MPa時(shí)，則目標值為 20%，“睡眠值”可設定為21%—25%(相當于壓力的上限)。
② 蘇醒功能 當水管中的壓力小于某一下限值時(shí)，應使系統中止睡眠而重新開(kāi)始工作(即中止暫?；蚍Q(chēng)之為“蘇醒”)，蘇醒值可設定為15%—19%。
2 1控3的變頻調速恒壓供水系統
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3臺水泵分別為1號泵、2號泵和3號泵，工作過(guò)程如下：
先由變頻器起動(dòng)1號泵運行，如工作頻率已經(jīng)達到 50Hz，而壓力仍不足時(shí)，將1號泵切換成工頻運行，再由變頻器去起動(dòng)2號泵，供水系統處于“1工1變”的運行狀態(tài);如變頻器的工作頻率又已達到50Hz，而壓力仍不足時(shí)，則將 2號泵也切換成工頻運行，再由變頻器去起動(dòng)3號泵，供水系統處于“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(shí)，則令1號泵停機，供水系統又處于“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(shí)，則令2號泵也停機，供水系統又回復到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(shí)間比較均勻的優(yōu)點(diǎn)。
2.2 1控3的控制電路
很多變頻器都帶有專(zhuān)用于由1臺變頻器控制多臺水泵的附件，稱(chēng)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(dòng)機M1、M2、M3接至變頻器的輸出端;IKM3、2KM3、3KM3分別用于將電動(dòng)機M1，M2、 M3接至工頻電源。除KM1外，其余6個(gè)接觸器都由繼電器擴展板進(jìn)行控制。
2.3 1控3的功能預置 除常規的功能外，BTl2S系列變頻器專(zhuān)門(mén)針對由1臺變頻器控制多臺水泵的控制方式設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(hù)進(jìn)行預置。
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