基于變頻控制的實體模型流量控制

陳 紅， 吳嚴君， 晏成明， 唐立模

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系， 廣東 廣州 510635)

流量控制是實體模型試驗順利開展的必要條件，而流量自動化控制是確保非恒定流過程準確模擬的關(guān)鍵[1]。目前流量控制方法主要有電動調(diào)節(jié)閥和變頻水泵流量控制，蔡守允等[2-6]通過實時監(jiān)測流量，反饋調(diào)節(jié)電動閥門開度實現(xiàn)流量控制。因閥門開度與輸出流量缺乏數(shù)學(xué)解析關(guān)系，需通過流量計進行反饋控制閥門，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。變頻流量控制通過調(diào)節(jié)水泵運行頻率，按需出流。陳紅[1]基于變頻控制開發(fā)了非恒定流控制系統(tǒng)，胡向陽等[7]分析了調(diào)節(jié)閥模式和變頻調(diào)節(jié)模式2種流量控制方式的能耗情況，結(jié)果表明，變頻控制模式平均節(jié)能效率高達69%以上。變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單、能效比更高，廣泛應(yīng)用于實體模型非恒定流試驗。然而，目前變頻流量控制中上位機多直接采用通訊協(xié)議控制變頻器。吳新生等[8-12]基于變頻器通訊協(xié)議編制計算機程序，實現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)，該方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及程序編制均比較簡單。受不同變頻器通訊協(xié)議限制，基于特定變頻器開發(fā)的上位機系統(tǒng)難以擴展到其他變頻器，通用性能差。

近年來，變頻控制系統(tǒng)還應(yīng)用于潮汐模型試驗，吳新生等[8]應(yīng)用變頻控制開發(fā)了潮汐模型生潮系統(tǒng)，黃靜等[9-10]通過多臺變頻器實現(xiàn)了涌潮模擬。潮汐模擬試驗中水泵數(shù)量多，雖然單臺水泵運行頻率與輸出流量存在線性關(guān)系，但該關(guān)系受水泵數(shù)量、淹沒深度、工作電壓等多因素影響，潮汐模擬試驗中多臺水泵頻率流量關(guān)系更加復(fù)雜。

為提高系統(tǒng)通用性和控制精度，本文采用標準化電壓輸出模塊、檢測模塊構(gòu)建頻率控制系統(tǒng)，通過試驗建立了多泵組合條件下頻率流量線性關(guān)系，實現(xiàn)了組合泵非恒定流實時控制。

1 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

變頻控制系統(tǒng)包括控制器、變頻器、水泵以及信號傳輸裝置，其控制流程為：將目標流量轉(zhuǎn)換為目標頻率，控制器再將目標頻率調(diào)制成相應(yīng)信號輸送至變頻器，變頻器識別信號控制水泵運行，水泵輸出相應(yīng)流量。

變頻器控制方式主要有手動、通訊協(xié)議和模擬量端口等方式，手動方式難以實現(xiàn)自動化；通訊協(xié)議方式需根據(jù)變頻器類型編制上位機系統(tǒng)，通用性能差。模擬量端口控制不受變頻器類型影響，將模擬量信號加載至相應(yīng)端子，調(diào)節(jié)模擬量幅值即可實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，通用性更優(yōu)。模擬量端口控制主要有電壓和電流兩種形式，電壓信號易于監(jiān)測，信號處理更方便。因此，選取電壓信號調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。

以三頻變頻器為例，將電壓正、負信號分別連接到5#和2#端子。通過更改變頻器配置參數(shù)，建立電壓信號與頻率的對應(yīng)關(guān)系。配置參數(shù)Pr.125表示輸入5 V電壓時，變頻器對應(yīng)工作頻率(一般設(shè)置為50 Hz)。校正參數(shù)C2有利于降低低電壓檢測誤差，C2參數(shù)通過修改配置參數(shù)Pr.902實現(xiàn)，將Pr.902設(shè)置為2.0，則變頻器端子輸入電壓與頻率對應(yīng)關(guān)系為：V=(3/50)P+2.0，其中，V為電壓(V)；P為變頻器工作頻率(Hz)。

上位機通過RS485與標準電壓輸出模塊連接，目標頻率轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓，標準電壓輸出模塊生成相應(yīng)模擬量信號，加載至變頻器5#和2#端子。上位機發(fā)出啟動信號，則電機即可按照對應(yīng)頻率運行。

表1 試驗工況Tab.1 Experiment conditions

2 多泵頻率流量率定

電機工作頻率與水泵流量成線性關(guān)系，控制頻率實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。多泵運行時，頻率流量關(guān)系與水泵單獨運行時關(guān)系不同。為獲取水泵數(shù)量對該關(guān)系的影響，選用相同功率的3臺潛水泵，工作電壓380 V，采用穩(wěn)壓器和大容量水庫確保工作電壓和淹沒深度保持基本不變，通過超聲波流量計監(jiān)測不同水泵組合輸出流量。試驗工況如表1所示，各工況控制變頻器輸出頻率依次為25，30，35，45和50 Hz。

單臺水泵運行頻率與流量關(guān)系見圖2，1#，2#，3#泵頻率與流量具有良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.99。

圖2 1#～3#泵運行時頻率流量關(guān)系Fig.2 Relationships between frequency and flow of 1#～3# pumps

圖3 泵組合運行時頻率流量關(guān)系Fig.3 Relationships between frequency and flow of pumps combined operation

2臺泵組合運行時(如圖3(a)和(b))，頻率流量關(guān)系不等于對應(yīng)水泵獨立工作時流量頻率關(guān)系的線性疊加，且線性相關(guān)系數(shù)有所降低，小于0.99。3臺泵同時工作時頻率流量關(guān)系如圖3(c)。

從圖3(c)可見，3臺泵時線性相關(guān)系數(shù)進一步降低，相關(guān)系數(shù)僅有0.968 4。試驗表明，多臺泵組合運行時，流量與頻率關(guān)系應(yīng)組合率定，不能運用各臺水泵獨立運行時的頻率流量關(guān)系。

3 實際應(yīng)用

以甬江潮汐模型為例，采用變頻控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)邊界流量過程，邊界流量數(shù)據(jù)由數(shù)學(xué)模型提供，以潮位相似為判別條件調(diào)整邊界流量。模型包含姚江、奉化江和2個海域邊界，各邊界布置了3臺水泵，按照組合率定原則，對水泵不同組合條件下的頻率流量關(guān)系進行率定。流量控制時選取相應(yīng)頻率流量關(guān)系，控制效果如圖4所示，流量控制偏差小于0.5%。圖5為按照1#, 2#, 3#水泵獨立工作的頻率流量關(guān)系進行控制的效果圖，流量控制偏差為3.5%。

圖4 組合率定法控制效果Fig.4 Controll effects of combined calibration method

圖5 線性疊加控制效果Fig.5 Controlling effects of linear superposition

4 結(jié) 語

流量控制是實體模型試驗順利開展的基礎(chǔ)，水泵運行頻率與輸出流量存在一定線性關(guān)系，通過控制電機工作頻率即可實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。因此，變頻流量控制廣泛應(yīng)用于實體模型試驗。為提高變頻控制系統(tǒng)通用性，采用標準電壓模塊輸出電壓信號調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，避免了通訊協(xié)議控制方式存在適用性差等問題。針對多泵運行系統(tǒng)，通過試驗研究了不同泵組合工況條件下頻率流量關(guān)系。試驗結(jié)果表明，不同泵組合運行時的頻率流量關(guān)系不同于各泵獨立運行時對應(yīng)關(guān)系。因此，多泵變頻控制系統(tǒng)中必須率定不同水泵組合的流量頻率關(guān)系。以甬江潮汐模型為例，組合率定法流量控制偏差小于0.5%，而按照獨立運行頻率流量關(guān)系，流量控制偏差大于3.5%。

變頻控制系統(tǒng)中頻率流量關(guān)系受多種因素影響，受條件限制，目前僅驗證了3臺泵運行條件下頻率流量關(guān)系，還需要進一步考慮多泵情況下頻率流量關(guān)系，總結(jié)水泵數(shù)量對頻率流量關(guān)系的影響。

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