基于变频控制的实体模型流量控制

陈 红， 吴严君， 晏成明， 唐立模

(1. 河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098； 2. 广东水利电力职业技术学院 水利工程系， 广东 广州 510635)

流量控制是实体模型试验顺利开展的必要条件，而流量自动化控制是确保非恒定流过程准确模拟的关键[1]。目前流量控制方法主要有电动调节阀和变频水泵流量控制，蔡守允等[2-6]通过实时监测流量，反馈调节电动阀门开度实现流量控制。因阀门开度与输出流量缺乏数学解析关系，需通过流量计进行反馈控制阀门，系统结构更加复杂。变频流量控制通过调节水泵运行频率，按需出流。陈红[1]基于变频控制开发了非恒定流控制系统，胡向阳等[7]分析了调节阀模式和变频调节模式2种流量控制方式的能耗情况，结果表明，变频控制模式平均节能效率高达69%以上。变频控制系统结构更简单、能效比更高，广泛应用于实体模型非恒定流试验。然而，目前变频流量控制中上位机多直接采用通讯协议控制变频器。吴新生等[8-12]基于变频器通讯协议编制计算机程序，实现对频率的调节，该方法系统结构及程序编制均比较简单。受不同变频器通讯协议限制，基于特定变频器开发的上位机系统难以扩展到其他变频器，通用性能差。

近年来，变频控制系统还应用于潮汐模型试验，吴新生等[8]应用变频控制开发了潮汐模型生潮系统，黄静等[9-10]通过多台变频器实现了涌潮模拟。潮汐模拟试验中水泵数量多，虽然单台水泵运行频率与输出流量存在线性关系，但该关系受水泵数量、淹没深度、工作电压等多因素影响，潮汐模拟试验中多台水泵频率流量关系更加复杂。

为提高系统通用性和控制精度，本文采用标准化电压输出模块、检测模块构建频率控制系统，通过试验建立了多泵组合条件下频率流量线性关系，实现了组合泵非恒定流实时控制。

1 变频控制系统设计

变频控制系统包括控制器、变频器、水泵以及信号传输装置，其控制流程为：将目标流量转换为目标频率，控制器再将目标频率调制成相应信号输送至变频器，变频器识别信号控制水泵运行，水泵输出相应流量。

变频器控制方式主要有手动、通讯协议和模拟量端口等方式，手动方式难以实现自动化；通讯协议方式需根据变频器类型编制上位机系统，通用性能差。模拟量端口控制不受变频器类型影响，将模拟量信号加载至相应端子，调节模拟量幅值即可实现频率调节，通用性更优。模拟量端口控制主要有电压和电流两种形式，电压信号易于监测，信号处理更方便。因此，选取电压信号调节变频器输出频率。

以三频变频器为例，将电压正、负信号分别连接到5#和2#端子。通过更改变频器配置参数，建立电压信号与频率的对应关系。配置参数Pr.125表示输入5 V电压时，变频器对应工作频率(一般设置为50 Hz)。校正参数C2有利于降低低电压检测误差，C2参数通过修改配置参数Pr.902实现，将Pr.902设置为2.0，则变频器端子输入电压与频率对应关系为：V=(3/50)P+2.0，其中，V为电压(V)；P为变频器工作频率(Hz)。

上位机通过RS485与标准电压输出模块连接，目标频率转换为对应电压，标准电压输出模块生成相应模拟量信号，加载至变频器5#和2#端子。上位机发出启动信号，则电机即可按照对应频率运行。

表1 试验工况Tab.1 Experiment conditions

2 多泵频率流量率定

电机工作频率与水泵流量成线性关系，控制频率实现流量调节。多泵运行时，频率流量关系与水泵单独运行时关系不同。为获取水泵数量对该关系的影响，选用相同功率的3台潜水泵，工作电压380 V，采用稳压器和大容量水库确保工作电压和淹没深度保持基本不变，通过超声波流量计监测不同水泵组合输出流量。试验工况如表1所示，各工况控制变频器输出频率依次为25，30，35，45和50 Hz。

单台水泵运行频率与流量关系见图2，1#，2#，3#泵频率与流量具有良好线性关系，相关系数均大于0.99。

图2 1#～3#泵运行时频率流量关系Fig.2 Relationships between frequency and flow of 1#～3# pumps

图3 泵组合运行时频率流量关系Fig.3 Relationships between frequency and flow of pumps combined operation

2台泵组合运行时(如图3(a)和(b))，频率流量关系不等于对应水泵独立工作时流量频率关系的线性叠加，且线性相关系数有所降低，小于0.99。3台泵同时工作时频率流量关系如图3(c)。

从图3(c)可见，3台泵时线性相关系数进一步降低，相关系数仅有0.968 4。试验表明，多台泵组合运行时，流量与频率关系应组合率定，不能运用各台水泵独立运行时的频率流量关系。

3 实际应用

以甬江潮汐模型为例，采用变频控制系统调节边界流量过程，边界流量数据由数学模型提供，以潮位相似为判别条件调整边界流量。模型包含姚江、奉化江和2个海域边界，各边界布置了3台水泵，按照组合率定原则，对水泵不同组合条件下的频率流量关系进行率定。流量控制时选取相应频率流量关系，控制效果如图4所示，流量控制偏差小于0.5%。图5为按照1#, 2#, 3#水泵独立工作的频率流量关系进行控制的效果图，流量控制偏差为3.5%。

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

图5 线性叠加控制效果Fig.5 Controlling effects of linear superposition

4 结 语

流量控制是实体模型试验顺利开展的基础，水泵运行频率与输出流量存在一定线性关系，通过控制电机工作频率即可实现流量调节。因此，变频流量控制广泛应用于实体模型试验。为提高变频控制系统通用性，采用标准电压模块输出电压信号调节变频器输出频率，避免了通讯协议控制方式存在适用性差等问题。针对多泵运行系统，通过试验研究了不同泵组合工况条件下频率流量关系。试验结果表明，不同泵组合运行时的频率流量关系不同于各泵独立运行时对应关系。因此，多泵变频控制系统中必须率定不同水泵组合的流量频率关系。以甬江潮汐模型为例，组合率定法流量控制偏差小于0.5%，而按照独立运行频率流量关系，流量控制偏差大于3.5%。

变频控制系统中频率流量关系受多种因素影响，受条件限制，目前仅验证了3台泵运行条件下频率流量关系，还需要进一步考虑多泵情况下频率流量关系，总结水泵数量对频率流量关系的影响。

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