热水采暖锅炉补水泵变频调速控制

2014-12-02郭荣祥陈沐泽杨文革

山东电力高等专科学校学报 2014年6期

关键词：循环泵工频接触器

郭荣祥陈沐泽杨文革

1.内蒙古科技大学信息工程学院内蒙古包头 014000

2.包钢钢联股份有限公司薄板坯连铸连轧厂内蒙古包头 014010

3.北方联合电力有限责任公司临河热电厂内蒙古临河 015000

0 引言

热水采暖锅炉补水泵采用变频器驱动进行调速运行以控制锅炉补水压力在上世纪九十年代就已经开始应用，时至今日，补水泵变频调速的控制方法仍没有多大变化，这种控制方法的压力采样点在循环泵的入口处，其特点是在锅炉循环泵运行时，循环泵入口压降低，需要的补水压力低，补水泵调速运行时变频器输出频率低，补水泵转速无需太高补水压力即可达到所设定的压力，这是利用了循环泵吸程的缘故。一旦循环泵停止运行，其入口压升高，补水泵则停止补水。然而在循环泵停止运行后，其出口压力降低，易造成建筑物最高处缺水而进入空气，影响用户采暖。造成这一现象的原因是补水的压力采样点不合理，因此找到合适的压力采样点并对其压力进行控制成为解决问题的关键。另外，早期的变频器没有PID功能，为了实现闭环控制必须另加PID调节器，既增加了成本，又降低了可靠性。随着变频技术的发展和变频器功能的完善，变频器本身具备了PID调节功能，因而既可以省掉调节器，又可以降低故障率。针对上述问题，本文提出合理的压力采样点，并利用变频器自身的PID功能实现压力调节。

1 补水压力采样点的确定

采暖锅炉补水泵应确保采暖系统充满水，避免供暖管网内进入空气，以免影响供暖质量。常用的压力采样点在循环泵的入口处，如图1中的A点，其缺点已在引言中讲述。合理的压力采样点应保证循环泵停止运行后管网内不进入空气，不管循环泵是否运行，管网内都应充满水，既不让空气进入，补水压又不是太高，以确保供热管网或暖气片的安全，避免管路和供暖设施泄露或渗水。图1中箭头方向表示循环水流动方向，B点即为压力采样点。为了确保循环泵运行与停止时B点压力相同，最初调试时可以通过调节阀门1和阀门2的开度来完成。实际操作时，应使B点压力在循环泵运行时比循环泵停止时略低，这样可以使循环泵停止运行后补水泵也停止运行。

图1 压力采样点示意图

与补水压力采样点为A点的方式相比较，这种方式需要在循环泵的出口与入口之间增加测压管路及阀门，如图1中的阀门1、阀门2及其联通管路。管路及阀门不必太大，采用4分管及4分阀即可。压力测量可以采用压力变送器或电阻远传压力表，为了降低成本，建议采用电阻远传压力表，一方面价格低廉，另一方面易于采购，维修及更换方便及时。图2给出了管网压力控制原理图。图中，虚线内部分为变频器内部电路。水压给定通过变频器外接电位器完成，水压反馈与给定进行比较，经变频器内部PID调节器调节后控制其输出电压和频率，从而控制补水泵的转速，使锅炉水压稳定在设定的值上。

图2 管网压力控制原理图

2 补水泵主电路

一般锅炉补水泵采用一用一备用的方式，也有采用多用一备用的方式，但以前者居多，本文介绍一用一备方式。为了确保在变频器故障时不影响锅炉的补水，电路的设计应保证补水泵在变频器故障时仍可工频运行，因此电路的设计既有变频驱动又有工频驱动，可以通过转换开关进行切换。图3给出了补水泵的主电路图。

图3中，变频器选用ABB电气传动有限公司生产的专门用于驱动风机水泵的ACS510系列产品，当然也可以选用其他公司的产品，特别是近年来，国产品牌的用于驱动风机泵类的变频器质量已很过关，价格低廉，厂家众多，可以选用。接触器KM0为变频器的进线接触器，KM1和KM3是由变频器驱动两台电动机的切换接触器，二者不可同时吸合，控制电路中必须有互锁功能。KM2和KM4是工频运行接触器，水泵工频运行时吸合。FR1和FR2为工频运行时对两台电动机进行过载保护的热继电器。

图3 补水泵主电路

图4 补水泵控制电路

3 补水泵控制电路

与图3相对应的补水泵控制电路如图4所示。图中QF1为控制电路电源开关，转换开关SW用于选择补水泵运行于工频状态还是变频状态，通过按钮起动或停止相应的补水泵。工频与变频之间通过接触器线圈相互之间串联对方的常闭触点设置了相应的互锁，用于1号泵和2号泵变频运行的接触器KM1和KM3也设置了互锁，以免变频器同时驱动两台补水泵。

4 变频器控制端接线及参数设置

变频器控制端接线如图5所示。图中，电位器DW1为给定电位器，用于设定给定补水压力，AI1为变频器给定输入端。为了降低成本以及便于备品备件的采购，采用电阻远传压力表进行压力反馈，变频器的AI2端为反馈输入端，图5中的电位器DW2即为远传压力表内部电位器，由于其阻值较小，在外部串联一阻值为1K的电阻R，以限制AI2端的输入电流，避免损坏变频器内部输入电路。由于AI1及AI2的输入信号均为电压信号，需要把变频器内部的模拟输入跳线开关J1搬到电压位置。图4中的接线与下面介绍的PID应用宏有关，数字输入端DI1为变频器的运行输入端，接通时变频器起动，数字输入端DI2接通选择PID控制，数字输入端DI5接通允许运行，断开变频器将停车，数字输入端DI6得电起动。由变频器供电接触器KM0的常开辅助触点控制，一旦接触器KM0吸合，变频器得电，辅助触点接通运行信号，变频器就开始运行。

图5 变频器控制端接线图

ABB变频器的参数设置采用应用宏的方式。宏是一组预先定义的参数集，应用宏将现场实际使用过程中所需设定的参数数量减至最少。选择一个宏能够将所有的参数设置为该宏的默认值，这些宏包括ABB标准宏、3-线宏、交变宏、电动电位器宏、手动/自动宏、PID控制宏、PFC控制宏（泵和风机控制）和SPFC宏（泵和风机的循环软起控制），由参数组99设定。对于本系统而言，采用PID控制宏，该应用宏用于多种闭环控制系统，包括压力控制、流量控制等，把参数组99中的9902设定为6即可选择。

对于参数组99中的其他参数，设置如下：

9901：1，选择中文语言；

9905：380V，电动机的额定电压为380V；

9906：电动机的额定电流，按电动机铭牌设定；

9907：50Hz，电动机的额定频率；

9908：电动机的额定转速，按电动机铭牌设定；

9909：电动机的额定功率，按电动机铭牌设定。

其他有关参数组的参数设置如下：

1001：1，DI1 控制起/停，DI1 得电起动，DI1 断电停止；

1103：1，给定来自 AI1；

1201：0，恒速功能无效；

1601：5，允许运行信号，DI5得电变频器才允许运行；

1608：6，起动允许信号，DI6得电变频器才允许起动；

2003：设置变频器提供给电机的最大电流；

2007：设置变频器输出频率的最小值；

2008：设置变频器输出频率的最大值；

2202：设定加速时间；

2203：设定减速时间；

4001：PID调节器的比例增益；

4002：PID调节器的积分时间常数；

4003：PID调节器的微分时间常数；

4010：1，给定值选择，模拟输入AI1作为给定；

4014：1，反馈值选择，选择实际值 1（ACT1）为反馈信号；

4016：2，定义实际值1（ACT1）的信号源，取AI2为 ACT1；

其他参数采用变频器出厂默认值。

较低的比例增益和较长的积分时间会使系统更稳定，但是反应迟缓。而过大的比例增益或过短的积分时间有可能使系统变得不稳定。PID参数设置步骤可按照如下步骤进行：首先把4001（比例增益）设为0.1，4002（积分时间）设为20秒，起动电动机并观察系统是否在保持稳定的同时快速达到设定点。如果不是，增加4001（比例增益）的值直到系统开始振荡，可以通过起停电机的方式观察到这种振荡。然后减小4001（比例增益）的值直到消除振荡，最后设置4001的值为上述值的0.4至0.6倍。其次，减小4002（积分时间）的值直到电机转速开始振荡，然后增加4002（积分时间）的值直到消除振荡，最终设置4002的值为上述值的1.15至1.5倍。微分时间常数可以设置一个很小的值或不设。