1第六章　变频器在恒压供水中的应用

电子电子教案教案陈立香陈立香 主编主编变频调速变频调速 本章应知 本章应会1.了解水泵供水系统的主要参数及其特性，理解供水系统的节能原理。2.了解变频调速恒压供水系统的组成。1.掌握变频调速PID闭环运行在恒压供水系统中的应用。2.熟悉变频调速恒压供水系统的改造、调试方法。第六章变频器在恒压供水系统中的应用第一节概述一、水泵供水的基本模型与主要参数1.基本模型如图6 1所示是一个生活小区供水系统的基本模型，水泵将水池中的水抽出并上扬至所需高度，以便向生活小区供水。图6-1水泵供水的基本模型a)全扬程的概念b)基本模型2.供水系统的主要参数(1)流量流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，常用的流量是体积流量，以字母Q表示，其单位是m3/h。(2)扬程是指单位质量的液体通过泵后所获得的能量，通常称为扬程。(3)全扬程也叫总扬程，是表征水泵泵水能力的物理量，包括把水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，符号是HT。第一节概述(4)实际扬程即通过水泵实际提高水位所需的能量，符号是HA。(5)损失扬程全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程，符号是HL。HT=HA+HL（6 1）(6)管阻表示管道系统(包括水管、阀门等)对水流阻力的物理量，符号是P。二、供水系统的特性与工作点1.供水系统的特性(1)扬程特性即水泵的特性。第一节概述(2)管阻(路)特性是反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需的能量。从图6 3中可以看出在供水流量较小（QG=Q1）时，所需扬程也较小（HT=HT1）如B1点；反之，在供水流量较大（QG=Q2）时，所需扬程也较大（HT=HT2）如B2点。图6-2扬程特性第一节概述图6-3管阻特性第一节概述2.供水系统的工作点图6-4供水系统的工作点第一节概述(1)工作点扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图6-4中的A点所示。(2)供水功率PG=CPHTQ（6 2）三、泵的特性分析与节能原理1.调节流量的方法在供水系统中，最根本的控制对象是流量，因此要研究节能问题必须从考虑如何调节流量入手。第一节概述图6-5调节流量的方法与比较第一节概述(1)阀门控制法即通过关小、开大阀门来调节流量，而转速则保持不变，通常为额定转速。(2)转速控制法即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变(通常为最大开度)。2.转速控制法的节能效果第一节概述(1)供水功率的比较比较上述两种调节流量的方法，可以看出，在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需供水功率比阀门控制方式小很多，即图6-5中CBFH阴影部分的面积，两者之差P便是转速控制方式节约供水的功率，它与CBFH的面积成正比，这也是采用调速供水系统具有节能效果的最基本方面。(2)从水泵的工作效率看节能1)工作效率的定义。P=PG/PP（6 3）第一节概述2)水泵工作效率的近似计算公式。*=C1（Q*/N*）C2（Q*/N*）2（6 4）3)不同控制方式下的工作效率。(3)从电动机的效率看节能水泵厂在生产水泵时，由于对用户的管路情况无法预测，而且管阻特性难以准确计算；同时，还必须对用户的需求留有足够余量。采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速，由于电动机在低频运行时变频器的输出电压也将下降，从而提高电动机的工作效率，这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。第一节概述图6-6水泵的效率曲线第一节概述图6-7水泵的轴功率曲线第一节概述四、二次方律负载实现变频调速后是如何得到最佳节能效果的如图6 8a所示，曲线0是二次方律负载的机械特性。图6-8电动机的有效转矩与低频U/f曲线a)有效转矩与二次方律负载b)低频U/f曲线第一节概述1)U/f线选用曲线01。2)适当加大起动频率，以避免死点区域。应该注意的是，几乎所有变频器在出厂时都将U/f线设定在具有一定补偿量的情况下（U/f1）。第一节概述第二节变频调速恒压供水系统的实现一、变频调速恒压供水系统的组成1.恒压供水的控制要求对供水系统进行控制，实质就是为了满足用户对流量的需求，所以流量是供水系统的基本控制对象，而流量的大小取决于水泵的扬程。1)如供水能力QG用水需求QU，则压力上升(p)。2)如供水能力QG用水需求QU，则压力下降(p)。3)如供水能力QG=用水需求QU，则压力不变(p=常数)。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力上的变化，从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。2.恒压供水系统的构成和工作原理图6-9恒压供水系统框图第二节变频调速恒压供水系统的实现(1)恒压供水系统框图恒压供水系统框图如图6-9所示。由图6 9可知，变频器有两个控制信号。1)目标信号XT：即给定端2上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示，也可以用键盘直接给定。2)反馈信号XF：即反馈信号端4上得到的信号，是压力传感器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。(2)某生活小区恒压供水控制系统图6-10是某生活小区住宅楼宇自动恒压供水泵站的控制系统电路。第二节变频调速恒压供水系统的实现1)主电路： 该装置主电路采用变频常用泵和工频备用泵自动与手动双重运行模式。图6-10某生活小区恒压供水控制系统电路第二节变频调速恒压供水系统的实现2)控制系统电路：该系统主要由三菱FRA540变频器和外围控制电路组成。该控制电路可以实现变频、工频、一用一备自动与手动转换控制运行，通过内置的频率信号变化范围，设定开关量输出，控制主泵电动机和备用泵电动机之间的相互切换。压力给定和压力流量反馈通过电位器RP1和R1实现。利用变频器内PID控制，比较给定压力信号和反馈信号的大小，输出相应的05V电压控制信号，自动控制水泵进行调速运行。第二节变频调速恒压供水系统的实现控制系统的各控制参数可通过变频器面板进行显示。具有短路、过电流、过载等保护功能。(3)PID调节功能系统之所以能实现恒压供水，主要就是利用变频器的PID调节功能。图6-11变频器的PID控制第二节变频调速恒压供水系统的实现表6-1各控制量间的关系二、变频器的选型及功能预置1.变频器的选型与控制方式(1)变频器的选型现在大部分变频器制造厂都专门设计生产适用于“风机、水泵专用型”的变频器，无特殊情况下可直接选用。1)过载能力较低。第二节变频调速恒压供水系统的实现2)具有闭环控制和PID调节功能。3)具有“1控X”的切换功能。(2) 控制方式与U/f设定对于二次方律负载，以选用U/f控制方式为宜。2.变频器的基本功能预置(1) 最高频率水泵属二次方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。(2) 上限频率一般上限频率也可以等于额定频率，但最好预置得低一点为宜，主要有如下考虑。第二节变频调速恒压供水系统的实现1)由于变频器内部往往具有转差初始补偿功能，因此，同是在50Hz的情况下，水泵在变频运行时，实际转速高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电动机的负载。2)变频调速系统如在50Hz运行时，还不如直接在工频下运行为好，这样可减少变频器本身的损耗。所以，将上限频率预置为49Hz或495Hz是恰当的。(3) 下限频率在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。(4) 起动频率起动前，水泵叶轮全部在水中，起动时，存在着一定的阻力。第二节变频调速恒压供水系统的实现(5) 升速与降速时间对于水泵，它不属于频繁地起动与制动的负载，其升、降速时间的长短并不涉及生产效率问题。(6) 暂停功能在日常供水系统中，夜间的用水量常常是很少的，即使水泵在下限频率下运行，供水压力仍能超过目标值。图6-12暂停运行功能第二节变频调速恒压供水系统的实现1)暂停运行(睡眠)功能：在恒压供水系统中，当由于用水流量太小而使压力超过其预置值(如图6-12中的pSL所示)时，便开始计时。2)暂停中止(唤醒)功能：当由于用水流量增大，使供水压力低于压力下限值pWU时，暂停中止(唤醒)，重又进入正常的恒压供水运行状态。三、变频器的PID调节功能的实现PID控制属于闭环控制，是使控制系统的被控量在各种情况下，都能迅速而准确地无限接近控制目标的一种手段。1.变频器的PID接线第二节变频调速恒压供水系统的实现各种系列的变频器都有标准接线端子，只不过标识的符号各厂家有所区别，它们的这些接线端子、功能和使用要求相差不大。(1)PID控制基本原理接线PID控制基本原理接线如图6-13所示。图6-13PID控制基本原理接线第二节变频调速恒压供水系统的实现(2) 控制系统的接线1)反馈信号的接入。2)目标信号的接入。2.PID控制的工作过程PID控制的基本工作过程流程如图6 14所示。图6-14PID控制的基本工作过程流程第二节变频调速恒压供水系统的实现图6-15PID控制过程中各参数的功能第二节变频调速恒压供水系统的实现3.变频器中PID的调节功能设定和调整(1)PID输入与输出(I/O)端子功能PID输入与输出(I/O)端子功能见表6-2。表6-2PID输入与输出(I/O)端子功能第二节变频调速恒压供水系统的实现表6-3设定信号与反馈信号的实现1)输入信号。PID控制选择端X14。X14的闭合、断开由参数Pr.180Pr.186设定。当X14信号接通时，开始PID控制；反之信号关断时，变频器的运行不含PID的作用。第二节变频调速恒压供水系统的实现设定值输入端子25。由变频器端子25输入PID设定值(目标值)。Pr.73设定为5，且AU端子开通，运行有效；否则外部输入无效。0V电压对应0，5V电压对应于100变化量。偏差信号输入端子15。偏差信号由端子15输入。当输入外部计算偏差信号时,参数Pr.128设定为“10”或“11”。0V电压对应0，5V电压对应于100变化量。反馈量输入端子45。从传感器来的420mA 的反馈量由端子45输入。4mA对应于0，20mA对应于100变化量。第二节变频调速恒压供水系统的实现注意：反馈量选择电流信号控制时，选择电流输入端子AU一定要接通，否则无效。2)输出信号。上限输出端FUP：输出指示反馈量信号已超过上限值。下限输出端FDN：输出指示反馈量信号已超过下限值。正(反)转方向信号输出端子RL：按照参数Pr.191Pr.195的要求设定。参数单元显示“Hi”表示正转(FWD)或显示“Low”表示反转(REV)或停止(STOP)。第二节变频调速恒压供水系统的实现输出公共端子SE是FUP、FDN和RL的公共端子。(2)端子功能设定1)设定PID控制用的输入端子功能。表6-4参数功能的选定(一)2)设定PID控制用的输出端子功能。表6-5参数功能的选定(二)(3)PID参数功能的设定1)PID参数的功能。第二节变频调速恒压供水系统的实现Pr.128。 PID动作选择，该功能设定范围为034种控制方式，具体说明如下。参数值为10：对于加热或压力等控制，PID为负作用。Pr.129。P增益，该功能设定范围分为两种控制。一种是无比例控制，参数值为9999；另一种是有比例控制，参数设置范围为0.110。P（增益）是决定P动作对偏差响应程度的参数，增益取大时响应快，增益取小时响应滞后，但过大将产生振荡。第二节变频调速恒压供水系统的实现Pr.130。I积分时间常数，该功能设定范围分为两种控制。一种是无积分控制，设定值为9999；另一种是有积分控制，参数设定范围为0.13600s。积分时间长时响应迟缓，对外部扰动的控制能力变差；积分时间短时，响应速度快，过小时将发生振荡。通常在0.10.5s之间。Pr.131、Pr.132。 PID检测值的上限与下限，该功能设定范围同样分为两种方式控制。一种是上、下限功能无效；另一种是上、下限功能有效。当设定上限、下限时，如果检测值超过此设定范围，就输出FUP信号与报警信号，检测值的4mA等于0%，20mA等于100%变化量。第二节变频调速恒压供水系统的实现Pr.133。用PU操作面板模式设定PID目标值，设定值范围0%100%。仅在PU操作或PU/外部组合模式下对于PU指令有效。对于外部操作，频率设定电压值由端子25间的电压决定。第二节变频调速恒压供水系统的实现Pr.134。D微分时间常数，该功能设定范围也同样分为两种控制。一种是无微分控制，参数值为9999；另一种是有微分控制，参数值在0.0110.00s之间。微分时间常数仅向微分作用提供一个与比例作用相同的检测值，随着时间的增加，偏差改变会有较大的响应。通常在0.010.2s之间设定。2)PID功能参数的设定。Pr128=20压力控制为负作用4.PID控制的调试(1)正作用和负作用第二节变频调速恒压供水系统的实现1)正作用：当偏差fX为负时,增加执行量(输出频率上升)；如果偏差fX为正值，则减小执行量(输出频率下降)。例如，制冷或流量控制如下：37A.TIF第二节变频调速恒压供水系统的实现2)负作用：就是当偏差fX值为正时，增加执行量(输出频率上升)；当偏差fX为负值，则减小执行量(输出频率下降)。例如，加热或压力控制如下：37A.TIF第二节变频调速恒压供水系统的实现表6-6偏差与执行量之间的关系(2)PID控制的模拟调试第二节变频调速恒压供水系统的实现图6-16PID功能手动模拟调试第二节变频调速恒压供水系统的实现1)手动模拟调试。模拟量确定。Pr.73=5即模拟量电压5V，0V对应于设定输出值为0%，5V对应于设定输出值为100%。控制运转频率范围0Hz，实际频率设定为30Hz左右。实际控制压力范围01MPa。给定电压范围是05V。目标值设定为0.5MPa，对应的电压为2.5V，变化量为50%。2) 反馈信号确定。模拟量选择：电压外接024V。第二节变频调速恒压供水系统的实现模拟电流信号范围：电流变化随RP2的阻值变化而变化，最小值为24V/(4.7+1.2)k=0.0041A，最大值为24V/1.2k=0.02A；4mA对应于传感器的输出值为0%，20mA对应于传感器的输出值为100%。3) 执行量信号调整范围：流量传感器压力为01MPa,对应于RP2电阻值变化引起的流量传感器内电流值变化如下：0MPa (0%)255064mA0.5MPa (50%) 605 12.8mA第二节变频调速恒压供水系统的实现(3)系统调试由于PID的取值与系统的惯性大小有很大的关系，因此，很难一次调定,这里根据经验介绍一个大致的调试过程。调试过程中,首先将微分功能D调为0，即无微分控制。四、基本技能训练1.步骤训练1)根据控制要求选择合适的器件及型号，并合理选择变频器。2)按图6-10和图6-13进行安装接线。3)根据控制要求进行参数设置。第二节变频调速恒压供水系统的实现表6-7有关参数的设置4)对变频恒压供水系统进行模拟调试。2.成绩评定成绩评定见表6 8。第二节变频调速恒压供水系统的实现表6-8成绩评定第二节变频调速恒压供水系统的实现表6-8成绩评定3.能力测试若采用PLC控制代替本任务中的有关继电器接触器控制，试设计有关控制电路，并编写控制程序，以及进行安装调试。第二节变频调速恒压供水系统的实现