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    恒压供水变频器控制策略研究

    发布日期:2018-01-17   来源:《变频器世界》   作者: 同济大学电子与信息工程学院 周忠林   浏览次数:7873
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    【摘   要】:恒压供水专用变频器作为工业变频器中的一个细分特殊应用行业,有着特殊的控制需求及智能化控制要求,本文分析了变频器在恒压供水控制中的几个关键控制要点以及实现智能供水的方法。

     1引言     随着社会经济的发展进步,大量高楼、工厂拔地而起,传统的供水方法采用顶层建立水塔加压的方法,在用水低谷时向高处水箱储水,用水高峰期利用水箱的高位势能增压,这样的方法使得用水压力不足不均匀,影响了生活品质和工厂生产,已不能满足实际需求。随着驱动控制技术的发展,变频器开始应用在供水行业,采用变频供水的方法可以根据用水压力来自动调节水泵转速来使用水压力保持在某一个恒定的波动区间,这样既可以省电,也可以提高供水品质,但是这种控制方法需要采用恒压控制器(或者PLC)结合变频器和压力传感器来实现,控制线路复杂,调试不方便,因此本文将研究一种智能恒压供水变频器控制策略,解决了供水恒定压力问题外,还对供水系统中的管损问题、高峰低谷问题、管线压力保护问题、水泵干转空蚀保护问题、智能交互运转、多泵并联技术、智能省电问题提出了解决方案。 2 恒压输出的控制方案     恒压控制的传感器采用高灵敏度压力传感器,在压力量程方面需要根据实际使用所需压力采用相应量程的压力传感器,一般采用恒压压力值的2-3倍压力量程,例如居民用水一般压力在2.5Bar左右,考虑到传感器实际量程的跳变一般选用10bar,而在水泵转速控制方面,则要做好压力调整时的提升准位(△P)、提升时间(t1)、提升间隔(△t)这3个参数的计算,以确定当前的用水状态,当处于0用水状态,水泵将由最低维持转速(f0)进入0速待机状态。具体控制策略见图1所示。


     图1 变频恒压供水基本控制策略图 正常用水波动状态下将启动PID智能调节,PID控制原理框图见图2所示。



     图2 变频恒压供水PID控制框图
        要想取得稳定的管路压力,需要对PID参数进行深度优化,改善系统的效率,不适当的参数将导致系统震荡,对水泵造成冲击,关于PID参数调整可以依据经验做修正,如图3给出了几种常见的参数不匹配问题的解决方案。图3a超调状态:可以增加积分时间I并减少微分时间D,图3b迟滞状态:可以减少积分时间I并增加微分时间D,图3c降低短周期振荡状态:如果振荡发生在比积分设定时间更长的周期时,表示积分太强,需要增加积分时间I稳定系统降低振荡。图3d降低连续周期振荡状态:如果系统出现固定振幅且连续振荡表示微分太强,需要缩短微分时间D降低振荡。


        3 典型的恒压控制PID参数优化方案
    3 关于输送送管路损耗的计算 供水管路的走向及长度将会对压力产生复杂的不同影响,在大管网形态下,管网损耗必须予以考虑,是供水终端用户得到稳定的末端管路压力。我们可以根据流量计算管网损耗,自动调整压力设定值恒压供水,同时也会比单纯压力控制节能。具体方案可采用官网末端加装流量传感器。我们可以根据水泵电机的负载电流来计算实际官网的损耗。图4给出了水泵的关断扬程和最大流量的关系曲线。那么我们可以根据式1计算出管损需要的补偿量。


    4 水泵扬程-流量曲线图  
       式(1                 其中-----管损补偿量;                     -----管损最大补偿量;                     ----变频器输出电流;                     ----最大流量时变频器输出电流;                     ----最小流量时变频器输出电流。 根据末端流量流量值计算管损可以自动调整压力设定值,可以进一步的节省电能,图5给出了典型传统恒压节能和连续渐增设定压力的能耗对比图。
     
                            图5 两种恒压控制能耗对比图   4 高峰低谷控制策略 智能用水时段控制,最大限度的节省电能,我们可以根据生活作息时间,自动调节高峰低谷的用水压力,并且可以减少泄漏保护管网。典型的每日四段压力自动调节峰谷图如图6所示。
     
    6 典型四段式24小时峰谷压力控制图 5管线及水泵保护方案 系统保护策略主要基于水泵的空蚀保护、水泵缺水干转保护以及管线高压保护。   水泵的空蚀现象就是进水口微型气泡随水流加速进入泵体,在泵叶片及腔内高压爆裂,将会对泵内部产生数百个大气压的冲击,对泵体腔壁及叶片材料产生较大的损伤累积。同时还会影响水的流速和扬程,造成泵的效率降低,浪费电能。空蚀现象在水泵转速越高影响越大,还会产生振动和噪音,空蚀现象的发生我们可以通过供水过程压力的变化做出判断并做相应的防止措施,图7给出了典型空蚀发生时系统的检测保护原理图。



    管网水源供水不足或没有来水时,水泵将处于干转状态,将会对水泵轴承及密封配件造成极大的损坏,我们可以根据水泵电机的负载电流检测到这种现象的发生,以及时发出报警智能停止水泵运转,图8给出了水泵干转检测保护原理图。
     
                                                         图8 水泵干转检测保护动作原理图
    压力过高保护主要是防止系统意外故障导致的管网及损坏,可以通过出口压力检测或者检测到水泵处于全速运行状态一段时间内出口水压却无法到达水泵性能曲线末端的设定值,图9给出了水泵曲线外运转图。图10给出了过压力保护检测原理图。


                                                   9 曲线外运转保护原理


    10 过压力保护检测动作原理图 6结束语 随着控制技术的发展,水泵供水控制逐步向智能、节能化方向发展,传统恒压控制方式需要逐步的向集成化、智能化发展。其中单泵恒压供水适用于个人家庭如花园草坪,单泵民用恒压供水将需要集成度更高的系统,目前的最佳方案是控制器和水泵、电机以及储压罐一体化设计,并要求智能一键启停控制。另一方面恒压供水将面对的是大管网集体供水,这个领域倾向于N台水泵和控制器并联组网运行,可以有多重可实现方案,比如多台并行,多用多备的智能交替模式。 作者介绍: 周忠林(1981-)男 电气工程师 在读硕士研究生 长期从事变频器应用开发工作 参考文献: [1]林斌.水泵空化与空蚀分析研究[J].中国电力教育.2010S1   [2]宁茂.RM5G变频器使用说明书[Z].2013                
     
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