基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王玉梅

(德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253000)

0 引言

所謂恒壓供水是指供水管道網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí)，出水口的壓力保持不變的供水方式。供水管道網(wǎng)出口壓力值根據(jù)用戶需求確定。

1 供水系統(tǒng)基本模型

供水泵站組成圖如圖1所示，M是電動(dòng)機(jī)，P是水泵，水泵的作用是把水從水池吸入，加壓后輸送到所需要的地方。采用變頻調(diào)速后大多實(shí)現(xiàn)了恒壓供水控制。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)圖

2 恒壓供水的目的

對供水系統(tǒng)的控制，是為了滿足用戶對流量的需求，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。供水流量的大小取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制?？紤]在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力(由供水流量表示QC)和用水需求(由用水流量QU表示)之間的平衡情況有關(guān):(1)如果供水流量表示QC＞供水流量表示QU，則壓力上升;(2)如果供水流量表示QC=供水流量表示QU，則壓力不變;(3)如果供水流量表示QC＜供水流量表示QU，則壓力下降。

可見，供水能力與用水需求具體反映在流體壓力的變化上，壓力就是用來作為控制流量大小的參變量。保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處供水能力和用水流量平衡，滿足了用戶所需的用水量，這就是恒壓供水所需達(dá)到的目的。

3 恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)

在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。要討論節(jié)能問題，須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。閥門控制法即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變。

(1)閥門控制法。水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的需求。管阻特性將隨閥門開度而改變，揚(yáng)程特性則不變。如圖2所示，設(shè)用戶所需流量QX為額定流量QN的60%。當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將變?yōu)榍€3，而揚(yáng)程特性則仍為曲線1，供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至E點(diǎn)，流量減小為60%;揚(yáng)程增加為HE，供水功率PG與ODEJ面積成正比。

(2)轉(zhuǎn)速控制法。通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將改變，而管阻特性不變。以用戶所需流量等于QN的60%為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使QX=60%QN時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線4，管阻特性仍為曲線2，工作點(diǎn)移至C點(diǎn)。這時(shí)流量減小為QX，揚(yáng)程減小為HC，供水功率PG與面積ODCK成正比。電，變頻器有兩個(gè)模擬信號的輸入端，一個(gè)是目標(biāo)信號輸入端即給定端VRF。當(dāng)PID功能有效時(shí)，VRF端自動(dòng)成為目標(biāo)信號的輸入端，目標(biāo)信號RP從電位器RP上取出。目標(biāo)信號是與壓力的控制目標(biāo)相對應(yīng)的值，顯示屏上以百分?jǐn)?shù)表示。

圖3 變頻器內(nèi)部的控制框圖

圖2 調(diào)節(jié)流量的方法與比較

比較上述兩種方法可以看出，在所需流量小于額定流量QN的情況下，轉(zhuǎn)速控制的揚(yáng)程比閥門控制小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面。

4 恒壓供水的系統(tǒng)組成

如圖3所示，主泵電動(dòng)機(jī)M由變頻器VF供

反饋信號輸入端即輔助給定端VPF。當(dāng)PID功能有效時(shí)，VPF端即自動(dòng)成為反饋信號的輸入端，接受從壓力變送器SP反饋回來的信號。圖3中壓力變送器SP的電源由變頻器提供，其輸出線信號便是反應(yīng)實(shí)際壓力的信號XF，接至變頻器的VPF。反饋信號的大小在顯示屏上用百分?jǐn)?shù)表示。壓力傳感器的輸出信號是隨壓力而變的電壓或電流信號，當(dāng)信號距離較遠(yuǎn)時(shí)，采取電流信號，用以減少線路壓降引起的誤差;當(dāng)信號距離較近時(shí)可采取電壓信號。

5 系統(tǒng)的工作過程

因壓力要求恒定，所以采用具有PID調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)控制。現(xiàn)在的變頻器一般都具有PID調(diào)節(jié)功能，其內(nèi)部框圖如圖3中點(diǎn)劃線框所示。

圖4是變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在正常工作下的PID調(diào)節(jié)過程。曲線1是管道內(nèi)流量Q的變化情況;曲線2是供水壓力P的變化情況，由于PID的調(diào)節(jié)結(jié)果，它的變化是很小的;曲線3是管道內(nèi)流量發(fā)生變化時(shí)的 PID調(diào)節(jié)量 ΔPID，ΔPID值是在壓力反饋量XF與目標(biāo)值XT之間有偏差時(shí)才出現(xiàn)，在無偏差值時(shí)，ΔPID=0;曲線4是變頻器輸出頻率fx和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nx的變化情況。

5.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程

若用戶的用水需求與水泵裝置供水能力處于平衡狀態(tài)，QC=QU，供水壓力穩(wěn)定而無變化，反饋信號與目標(biāo)信號近乎相等，PID調(diào)節(jié)量ΔPID為0，電動(dòng)機(jī)在頻率fx下勻速運(yùn)行，如圖4中的0～t1段所示。

圖4 恒壓供水的正常工況

圖5 一主二輔供水系統(tǒng)

5.2 用水量增加過程

若用戶用水量增加，超過了供水能力，QC＜QU時(shí)，供水壓力P有所下降，反饋信號XF減小，合成信號XT－XF則增大，PID產(chǎn)生的調(diào)節(jié)量ΔPID為+，變頻器的輸出頻率fx和電動(dòng)機(jī)的速度nx上升，使供水能力QG增大，壓力恢復(fù)，如圖4t1～t2段所示。

5.3 用水量減小過程

若用戶用水量減小，超過了供水能力，QC＞QU時(shí)，供水壓力P有所上升反饋信號XF增大，合成信號XT－XF減小，PID產(chǎn)生的調(diào)節(jié)量ΔPID為－，變頻器的輸出頻率fx和電動(dòng)機(jī)的速度nx下降，使供水能力QG減小，壓力恢復(fù)，如圖4t3～t4段所示。

當(dāng)壓力大小重又恢復(fù)到目標(biāo)值時(shí)，供水能力與用水需求重又取得新的平衡，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖4t4以后的情形。

6 大樓的恒壓供水實(shí)例

6.1 供水系統(tǒng)的構(gòu)成及參數(shù)

某大樓的供水系統(tǒng):要求供水壓力保持在0.5 MPa，實(shí)際揚(yáng)程HA=30 m，壓力變送器的量程是0～1 MPa。采用圖5一主二輔供水系統(tǒng)。

主泵電動(dòng)機(jī):22 kW、42.5 A、1 470 r/min，由變頻器控制。

輔泵電動(dòng)機(jī):5.5 kW、11.6 A、1 440 r/min，直接接到工頻電源上。

配用變頻器:配用西門子MM440系列變頻器，29 kVA(適配電動(dòng)機(jī)為22 kW)，45 A。

6.2 功能預(yù)置

(1)基本功能的預(yù)置如表1所示。

表1 基本功能的預(yù)置

圖6 西門子變頻器的U/f線

(2)轉(zhuǎn)矩提升功能的預(yù)置。西門子變頻器的U/f線設(shè)置如圖6所示。變頻器提供了多條補(bǔ)償程度不同的U/f供用戶選擇。西門子系列不同的U/f控制有線性U/f控制;帶磁通電流控制的U/f控制;二次方特性的U/f控制;可編程的U/f控制;節(jié)能方式的U/f控制等。對于離心式水泵低速運(yùn)行P1300選擇二次方律轉(zhuǎn)矩提升方式U/f控制。相關(guān)功能預(yù)置如表2所示。

表2 相關(guān)功能預(yù)置

6.3 恒壓供水的過程控制

(1)通道選擇與信號范圍。

①控制系統(tǒng)的接線圖如圖5所示。

②目標(biāo)信號的確定:壓力變送器的量程為0～1 MPa，而要求的供水壓力是0.5 MPa，目標(biāo)信號應(yīng)為50%。

③相關(guān)功能的設(shè)置如表3所示。

表3 反饋信號相關(guān)功能的設(shè)置

④反饋性形式的判斷。

相關(guān)功能反饋形式的判斷在PID無效的情況下:如增大頻率，反饋信號也隨之增大，則為負(fù)反饋;如增大頻率，反饋信號反而減小，則為正反饋。

(2)PID的預(yù)置與工況。

①工況示意圖如圖4所示。

②相關(guān)功能如表4所示。

③調(diào)試。在流量比較穩(wěn)定的情況下，如反饋信號時(shí)而大于目標(biāo)信號，時(shí)而小于目標(biāo)信號。說明系統(tǒng)發(fā)生了振蕩，應(yīng)增大I或減小P。

表4 調(diào)試功能的設(shè)置

當(dāng)流量發(fā)生變化(增大或減小)后，反饋信號難以迅速恢復(fù)到等于目標(biāo)信號時(shí)，說明系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，應(yīng)減小I或增大P。

6.4 切換控制

功能預(yù)置如表5所示。

表5 加、減泵功能預(yù)設(shè)

6.5 睡眠與喚醒控制

(1)控制特點(diǎn)如圖7所示。

圖7 睡眠與喚醒控制

(2)功能預(yù)置如表6所示。

表6 睡眠與喚醒功能設(shè)置

［1］李方圓.變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］胡宗岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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