變頻器在高壓給水設備恒壓供水中的應用
變頻器在高壓給水設備恒壓供水中的應用
1 引言
高壓給水設備供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環。傳統供水方式占地面積大，水質易污染，基建投資多，而 主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。高壓給水設備變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，它以其 優良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業中。由于安全生產和供水質量的特別 需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。高壓給水設備恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動化程度高，在高壓給水設備供水中可完成以下功能：
（1）維持水壓恒定；
（2）控制系統可手動/自動運行；
（3）多臺泵自動切換運行；
（4）系統睡眠與喚醒。當外界停止用水時，系統處于睡眠狀態，直至有用水需求時自動喚醒；
（5）在線調整PID參數；
（6）泵組及線路保護檢測報警，信號顯示等。
將管網的實際壓力經反饋后與給定壓力進行比較，當管網壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快，供水量增加，迫使管網壓力上升。反之水泵轉速減慢，供水量減小，管網壓力下降，保持恒壓供水。
2 高壓給水設備系統硬件構成
高壓給水設備系統采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現所需功能。
安裝在管網干線上的壓力傳感器，用于檢測管網的水壓，將壓力轉化為4～20 mA的電流信號，提供給PLC與變頻器。
變頻器是水泵電機的控制設備，能按照水壓恒定需要將0～50 Hz的頻率信號供給水泵電機，調整其轉速。ACS變頻器功能強大，預置了多種應用宏，即預先編置好的參數集，應用宏將使用過程中所需設定的參數數量減小到較小，參數的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統采用PID控制的應用宏，進行閉環控制。該宏提供了6個輸入信號：啟動/停止（DI1、DI5）、模擬量給定（AI1）、實際值（AI2）、控制方式選擇（DI2）、恒速（DI3）、允許運行（DI4）；3個輸出信號：模擬輸出（頻率）、繼電器輸出1（故障）、繼電器輸出2（運行）；DIP開關選擇輸入0～10 V電壓值或0～20 mA電流值（系統采用電流值）。變頻器根據給定值AI1和實際值AI2，即根據恒壓時對應的電壓設定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動調節，改變頻率輸出值來調節所控制的水泵電機轉速，以保證管網壓力恒定要求。
根據泵站供水實際情況與需求，利用一臺變頻器控制3臺水泵，因此除改變水泵電機轉速外，還要通過增減運行泵的臺數來維持水壓恒定，當運行泵滿工頻抽水仍達不到恒壓要求時，要投入下一臺泵運行。反之，當變頻器輸出頻率降至較小，壓力仍過高時，要切除一臺運行泵。所以不僅需要開關量控制，還需數據處理能力，采用FX－4AD（4模擬量入）獲得模擬量信號。它在應用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣，隨時將模擬量轉換為數字量，放在數據寄存器中，由數據處理指令調用，并將計算結果隨時放在指定的數據接觸器中。通過其可將壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號轉換為數字量，提供給PLC[1>，與恒壓對應電流值、頻率上限、頻率下限（考慮到水泵電機在低速運行時危險， 須保證其頻率不低于 20Hz，因此頻率上限設為工頻50Hz，下限設為20Hz）進行比較，實現泵的切換與轉速的變化。
高壓給水設備系統在設計時應使水泵在變頻器和工頻電網之間的切換過程盡可能快，以保證供水的連續性，水壓波動盡可能小，從而提高供水質量。但元件動作過程太快，會有回流損壞變頻器。為了防止故障的發生，硬件上 須設置閉鎖保護，即1Q與4Q，2Q與5Q，3Q與6Q不能同時閉合。
3 高壓給水設備系統軟件設計
控制系統軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺泵進行控制的程序。它對3臺泵的控制，主要解決 系統的手動及自動切換、各元件和參數的初始化、信號及通訊數據的預處理、3臺泵的啟動、切換及停止的條件、順序、過程等問題。
當變頻器輸出頻率達到頻率上限，供水壓力未達到預設值時，發出加泵信號，投入下1臺泵供水。當供水壓力達到預設值，變頻器輸出頻率降到頻率下限時，發出減泵信號，切除在工頻運行方式中的1臺泵。系統剛啟動時，情況簡單，首先啟動一號泵即可。但考慮3 臺泵聯合運行時情況復雜，任1臺或2臺泵可能正在工頻自動方式下運行，而其他泵則可能在變頻器控制下運行，因此 須預先設定增減水泵的順序。即獲得加泵信號后，按照1號泵、2號泵、3號泵的順序優先考慮。獲得減泵信號后，按照3號泵、2號泵、1號泵的順序優先考慮。
為了防止故障的發生，軟件上也 須設置保護程序，保證1Q與4Q、2Q與5Q、3Q與6Q不能同時閉合。在加減泵時 須設置元件動作順序及延時，防止誤動作發生。
考慮到系統工作環境對運行狀態的影響，在設計中采用硬件、軟件上的雙重濾波來消除干擾的影響。硬件上變頻器提供了濾波時間常數，當模擬輸入信號變化時，63％的變化發生在所定義的時間常數中；軟件上采用數字濾波的方式，系統采用平均值的方法[2>。
4 高壓給水設備系統參數的確定
系統變頻運行主要靠變頻器來實現。變頻器有一數量很大的參數群，初始情況下，只有所謂的基本參數可以看到。只需設定簡單的幾個參數，變頻器就可以工作。
除基本參數外，還 須對完整參數進行設定。
完整參數的設定主要是PID參數的整定，它是按照工藝對控制性能的要求，決定調節器的參數Kp，TI，TD。
變頻器根據偏差調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統達到一個動態平衡，維持系統的恒壓穩定狀態[3、4>。
5 試驗結果
由于系統的顯示和通訊功能，可以對系統工作情況進行監測。考慮到管網覆蓋面積大，泵站海拔高度相對低，遠端供水壓力需維持3kg，因此泵站出水口壓力 須維持5kg。試驗條件為管網初始無壓力，電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動系統。獲得的數據經MATLAB進行插值擬合可得系統在不同條件下跟蹤壓力變化的曲線。
試驗記錄的數據顯示，系統在未進行濾波和PID控制時，響應速度特別慢、誤差大、振蕩嚴重。在未進行濾波而引入數字PID控制時，響應速度明顯加快，但振蕩問題未能得到解決，這是由于喘振現象的存在；當管道壓力與設定值近似相當時，水錘效應影響明顯，壓力波動異常，PID的參數跟蹤整定，形成惡性循環，管道中空氣的存在也會導致振蕩問題。
該系統是按照工業生產需求設計的，實現了預定的一系列功能，保證了系統的穩定和安全性，在長時間運行中取得了良好的效果。只需作相應修改就可推廣到相關供水系統中。
高壓供水設備介紹
高壓供水設備是長沙中贏供水公司技術部科研人員新進研制的無負壓變頻調速給水設備，系為解決傳統生活供水系統中，水泵的直接接入自來水管網產生的負壓問題而開發的，型號為中贏系列無負壓變頻給水設備（管網調節增壓設備）。該產品不但解決了地下水池的二次污染問題，還可以和純凈水設備配套，直接作為飲用水的增壓設備，可以在任何一個需要管網增壓的供水系統中使用。該系列產品獲得多項實用新型國家專利。
高壓供水設備特點
1、 節電節水
高壓供水設備采用變頻進行軟起動，避免了電流沖擊。同時是因實現恒壓控制，也避免了對管網的沖擊，延長了管路及閥門的壽命。傳統的水池二次加壓供水方式將自來水放入水池，使原有的自來水稀放為零，浪費了自來水的原有壓力能。
該設備利用調節裝置與自來水管網聯接可充分利用管網的壓力能，節電可達到50%~90%。
2、 消除了地下水池的二次污染
傳統的水池二次加壓供水方式將自來水放入水池，水池的水易于被贓物甚至動物尸體所污染，尤其在夏天易產生藻類或滋生蚊蟲，直接影響到用戶的身體健康。該設備利用調節裝置采用封閉式供水方式，消除了二次污染。
3、 節省投資，減少占地，安裝、使用、檢修方便
建造水池，工程總投資大，并且使用過程中要定期清洗，不但增加了工程的總投資，還增加了日常的維護費用。該設備利用調節裝置供水，節省投資，減少占地，根據用戶的現場情況可以采用立式或臥式不同的安裝方式，檢修方便。
4、 采用PID閉環調節，恒壓精度高，水壓波動小。
5、 具有過載，短路，過流等各種自動保護功能。
6、 自動化程度高，運行可靠，管理方便。
高壓供水設備工作原理
1、 微機設定給水泵工作壓力，即用戶用水壓力。生活給水時，設備運行在低壓變頻狀態，由變頻器時刻監控管網壓力，對反饋值和設定值進行運算和比較計算，若網管壓力高于用戶所需壓力（設定壓力）則自動減少輸出頻率，從而使泵的轉速減少，出水量減少。若管網壓力低于用戶所需壓力（設定壓力）則自動增加輸出頻率。從而使泵的轉速增加，出水量增加，當一臺泵運行滿足不了用戶需要時，其它各臺泵自動投入，以保證用戶的使用壓力。
2、 當自來水管網的壓力升高到達與用戶使用壓力時候，變頻器經過一段延時后便降低轉速直到停機，只有當壓力降到某一設定壓力值時，變頻器才重新開始工作。變頻泵組的工作只是滿足用戶的用水壓力與管網壓力之差，大大節約了電能。
3、 當流量調節器內壓力低于一個大氣壓時，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動打開，使氣體進入流量調節器內，消除負壓。當流量調節器內壓力升高時，又可以將多余的氣體排出流量調節器外，使流量調節器內蓄滿水，以備下次用水高峰期時使用。當流量調節器內蓄滿水后，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動關閉，防止溢流。
高壓供水設備工作過程
1、 管網壓力高于或等于用戶壓力時 當自來水壓力高于用戶使用壓力時，旁路止回閥導通，由自來水直接供給用戶用水。 用戶壓力高于或等于設定壓力，變頻設備不運行，水泵處于停機狀態。
2、 管網壓力低于用戶壓力時 變頻設備開始運行，水泵處于開始運轉。
A、 管網流量大于等于用戶用水量時
若流量調節器內有空氣則壓力升高，又可以將多余的氣體排出流量調節器外。使流量調節器內蓄滿水以備下次用水高峰期時使用。當流量調節器內蓄滿水后，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動關閉，防止溢流。流量調節器內壓力恢復至自來水管網壓力。 若流量調節器內沒有空氣，流量調節器內壓力保持自來水管網壓力。 水泵提升壓力為用戶用水壓力—管網壓力
B、 管網流量小于用戶用水量時
流量調節器內壓力降低，當流量調節器內壓力低于一個大氣壓時，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動打開，使氣體進入流量調節器內，消除負壓。流量調節器內壓力降為零。流量調節器內的水與自來水的流入水共同提供給用戶用水。流量調節器內儲備水補償的是用戶用水與管網流量之差。 水泵提升壓力為用戶用水壓力。
高壓供水設備產品性能指標
中贏系列高壓供水設備（管網調節增壓設備）是采用先進的設計技術自行開發研制的新型供水設備。具有變量恒壓，供水壓力精度高的顯著特點，即在壓力不變的前提下，流量從零到較大工作流量范圍內，供水壓力變化范圍在±0.01Mpa以內，可消除對自來水管網生產負壓的現象，提高了生活給水系統的可靠性；占地面積小，節省建設投資，安裝使用維護方便；是適合用于工業及民用建筑生活系統的理想給水設備。
高壓供水設備（管網調節增壓設備）主要指標如下：
流量范圍：2.4m3/h—300m3/h
壓力范圍：0Mpa—1.6Mpa；（可調）
轉速范圍：0-1450r/min或0-2950r/min；（可調）
高壓供水設備選型說明
高壓供水設備的選型是根據用戶自來水管線、壓力與流量，用戶實際用水量、建筑物的高度等數據來確定的，設備表用的調節器容積時按照自來水流量滿足要求的情況下估算的，如果自來水管路很細，流量不能滿足用水高峰期的用水要求，需要重新計算調節器的容積，推薦公式如下：
V容積=（Q出—Q進）△t
Q進=一天較高用水高峰期自來水進水量
Q出=一天較高用水高峰期用戶用水量
t=較大用水高峰期持續時間
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