基于西门子变频器的恒压供水系统的设计

2012-08-28王玉梅

电机与控制应用 2012年10期

关键词：预置恒压扬程

王玉梅

(德州职业技术学院，山东德州 253000)

0 引言

所谓恒压供水是指供水管道网中用水量发生变化时，出水口的压力保持不变的供水方式。供水管道网出口压力值根据用户需求确定。

1 供水系统基本模型

供水泵站组成图如图1所示，M是电动机，P是水泵，水泵的作用是把水从水池吸入，加压后输送到所需要的地方。采用变频调速后大多实现了恒压供水控制。

图1 恒压供水系统图

2 恒压供水的目的

对供水系统的控制，是为了满足用户对流量的需求，流量是供水系统的基本控制对象。供水流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力(由供水流量表示QC)和用水需求(由用水流量QU表示)之间的平衡情况有关:(1)如果供水流量表示QC＞供水流量表示QU，则压力上升;(2)如果供水流量表示QC=供水流量表示QU，则压力不变;(3)如果供水流量表示QC＜供水流量表示QU，则压力下降。

可见，供水能力与用水需求具体反映在流体压力的变化上，压力就是用来作为控制流量大小的参变量。保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处供水能力和用水流量平衡，满足了用户所需的用水量，这就是恒压供水所需达到的目的。

3 恒压供水的优点

在供水系统中，最根本的控制对象是流量。要讨论节能问题，须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。阀门控制法即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变。

(1)阀门控制法。水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，以适应用户对流量的需求。管阻特性将随阀门开度而改变，扬程特性则不变。如图2所示，设用户所需流量QX为额定流量QN的60%。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将变为曲线3，而扬程特性则仍为曲线1，供水系统的工作点移至E点，流量减小为60%;扬程增加为HE，供水功率PG与ODEJ面积成正比。

(2)转速控制法。通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将改变，而管阻特性不变。以用户所需流量等于QN的60%为例，当通过降低转速使QX=60%QN时，扬程特性为曲线4，管阻特性仍为曲线2，工作点移至C点。这时流量减小为QX，扬程减小为HC，供水功率PG与面积ODCK成正比。电，变频器有两个模拟信号的输入端，一个是目标信号输入端即给定端VRF。当PID功能有效时，VRF端自动成为目标信号的输入端，目标信号RP从电位器RP上取出。目标信号是与压力的控制目标相对应的值，显示屏上以百分数表示。

图3 变频器内部的控制框图

图2 调节流量的方法与比较

比较上述两种方法可以看出，在所需流量小于额定流量QN的情况下，转速控制的扬程比阀门控制小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。

4 恒压供水的系统组成

如图3所示，主泵电动机M由变频器VF供

反馈信号输入端即辅助给定端VPF。当PID功能有效时，VPF端即自动成为反馈信号的输入端，接受从压力变送器SP反馈回来的信号。图3中压力变送器SP的电源由变频器提供，其输出线信号便是反应实际压力的信号XF，接至变频器的VPF。反馈信号的大小在显示屏上用百分数表示。压力传感器的输出信号是随压力而变的电压或电流信号，当信号距离较远时，采取电流信号，用以减少线路压降引起的误差;当信号距离较近时可采取电压信号。

5 系统的工作过程

因压力要求恒定，所以采用具有PID调节功能的闭环控制。现在的变频器一般都具有PID调节功能，其内部框图如图3中点划线框所示。

图4是变频调速恒压供水系统在正常工作下的PID调节过程。曲线1是管道内流量Q的变化情况;曲线2是供水压力P的变化情况，由于PID的调节结果，它的变化是很小的;曲线3是管道内流量发生变化时的 PID调节量 ΔPID，ΔPID值是在压力反馈量XF与目标值XT之间有偏差时才出现，在无偏差值时，ΔPID=0;曲线4是变频器输出频率fx和电动机转速nx的变化情况。

5.1 稳态运行过程

若用户的用水需求与水泵装置供水能力处于平衡状态，QC=QU，供水压力稳定而无变化，反馈信号与目标信号近乎相等，PID调节量ΔPID为0，电动机在频率fx下匀速运行，如图4中的0～t1段所示。

图4 恒压供水的正常工况

图5 一主二辅供水系统

5.2 用水量增加过程

若用户用水量增加，超过了供水能力，QC＜QU时，供水压力P有所下降，反馈信号XF减小，合成信号XT－XF则增大，PID产生的调节量ΔPID为+，变频器的输出频率fx和电动机的速度nx上升，使供水能力QG增大，压力恢复，如图4t1～t2段所示。

5.3 用水量减小过程

若用户用水量减小，超过了供水能力，QC＞QU时，供水压力P有所上升反馈信号XF增大，合成信号XT－XF减小，PID产生的调节量ΔPID为－，变频器的输出频率fx和电动机的速度nx下降，使供水能力QG减小，压力恢复，如图4t3～t4段所示。

当压力大小重又恢复到目标值时，供水能力与用水需求重又取得新的平衡，系统恢复稳定运行，如图4t4以后的情形。

6 大楼的恒压供水实例

6.1 供水系统的构成及参数

某大楼的供水系统:要求供水压力保持在0.5 MPa，实际扬程HA=30 m，压力变送器的量程是0～1 MPa。采用图5一主二辅供水系统。

主泵电动机:22 kW、42.5 A、1 470 r/min，由变频器控制。

辅泵电动机:5.5 kW、11.6 A、1 440 r/min，直接接到工频电源上。

配用变频器:配用西门子MM440系列变频器，29 kVA(适配电动机为22 kW)，45 A。

6.2 功能预置

(1)基本功能的预置如表1所示。

表1 基本功能的预置

图6 西门子变频器的U/f线

(2)转矩提升功能的预置。西门子变频器的U/f线设置如图6所示。变频器提供了多条补偿程度不同的U/f供用户选择。西门子系列不同的U/f控制有线性U/f控制;带磁通电流控制的U/f控制;二次方特性的U/f控制;可编程的U/f控制;节能方式的U/f控制等。对于离心式水泵低速运行P1300选择二次方律转矩提升方式U/f控制。相关功能预置如表2所示。