變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng).ppt

陳立香 主編,變頻調(diào)速,本章應(yīng)會(huì),1.了解水泵供水系統(tǒng)的主要參數(shù)及其特性，理解供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。 2.了解變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的組成。,1.掌握變頻調(diào)速PID閉環(huán)運(yùn)行在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。 2.熟悉變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的改造、調(diào)試方法。,第六章 變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用,第一節(jié) 概 述,一、水泵供水的基本模型與主要參數(shù) 1.基本模型 如圖61所示是一個(gè)生活小區(qū)供水系統(tǒng)的基本模型，水泵將水池中的水抽出并上揚(yáng)至所需高度，以便向生活小區(qū)供水。,圖6-1 水泵供水的基本模型 a)全揚(yáng)程的概念 b)基本模型,2.供水系統(tǒng)的主要參數(shù) (1)流量 流量是泵在單位時(shí)間內(nèi)所抽送液體的數(shù)量，常用的流量是體積流量，以字母Q表示，其單位是m3/h。 (2)揚(yáng)程 是指單位質(zhì)量的液體通過(guò)泵后所獲得的能量，通常稱為揚(yáng)程。 (3)全揚(yáng)程 也叫總揚(yáng)程，是表征水泵泵水能力的物理量，包括把水從水池的水面上揚(yáng)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，符號(hào)是HT。,第一節(jié) 概 述,(4)實(shí)際揚(yáng)程 即通過(guò)水泵實(shí)際提高水位所需的能量，符號(hào)是HA。 (5)損失揚(yáng)程 全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程，符號(hào)是HL。 HT=HA+HL（61） (6)管阻 表示管道系統(tǒng)(包括水管、閥門(mén)等)對(duì)水流阻力的物理量，符號(hào)是P。 二、供水系統(tǒng)的特性與工作點(diǎn) 1.供水系統(tǒng)的特性 (1)揚(yáng)程特性 即水泵的特性。,第一節(jié) 概 述,(2)管阻(路)特性 是反映為了維持一定的流量而必須克服管阻所需的能量。 從圖63中可以看出在供水流量較小（QG=Q1）時(shí)，所需揚(yáng)程也較小（HT=HT1）如B1點(diǎn)；反之，在供水流量較大（QG=Q2）時(shí)，所需揚(yáng)程也較大（HT=HT2）如B2點(diǎn)。,圖6-2 揚(yáng)程特性,第一節(jié) 概 述,圖6-3 管阻特性,第一節(jié) 概 述,2.供水系統(tǒng)的工作點(diǎn),圖6-4 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn),第一節(jié) 概 述,(1)工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖6-4中的A點(diǎn)所示。 (2)供水功率 PG=CPHTQ（62） 三、泵的特性分析與節(jié)能原理 1.調(diào)節(jié)流量的方法 在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量，因此要研究節(jié)能問(wèn)題必須從考慮如何調(diào)節(jié)流量入手。,第一節(jié) 概 述,圖6-5 調(diào)節(jié)流量的方法與比較,第一節(jié) 概 述,(1)閥門(mén)控制法 即通過(guò)關(guān)小、開(kāi)大閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變，通常為額定轉(zhuǎn)速。 (2)轉(zhuǎn)速控制法 即通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)開(kāi)度則保持不變(通常為最大開(kāi)度)。 2.轉(zhuǎn)速控制法的節(jié)能效果,第一節(jié) 概 述,(1)供水功率的比較 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法，可以看出，在所需流量小于額定流量的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門(mén)控制時(shí)小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需供水功率比閥門(mén)控制方式小很多，即圖6-5中CBFH陰影部分的面積，兩者之差P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約供水的功率，它與CBFH的面積成正比，這也是采用調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本方面。 (2)從水泵的工作效率看節(jié)能 1)工作效率的定義。 P=PG/PP（63）,第一節(jié) 概 述,2)水泵工作效率的近似計(jì)算公式。 *=C1（Q*/N*）C2（Q*/N*）2（64） 3)不同控制方式下的工作效率。 (3)從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能 水泵廠在生產(chǎn)水泵時(shí)，由于對(duì)用戶的管路情況無(wú)法預(yù)測(cè)，而且管阻特性難以準(zhǔn)確計(jì)算；同時(shí)，還必須對(duì)用戶的需求留有足夠余量。 采用了轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開(kāi)而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)變頻器的輸出電壓也將下降，從而提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。,第一節(jié) 概 述,圖6-6 水泵的效率曲線,第一節(jié) 概 述,圖6-7 水泵的軸功率曲線,第一節(jié) 概 述,四、二次方律負(fù)載實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后是如何得到最佳節(jié)能效果的 如圖68a所示，曲線0是二次方律負(fù)載的機(jī)械特性。,圖6-8 電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩與低頻U/f曲線 a)有效轉(zhuǎn)矩與二次方律負(fù)載 b)低頻U/f曲線,第一節(jié) 概 述,1)U/f線選用曲線01。 2)適當(dāng)加大起動(dòng)頻率，以避免死點(diǎn)區(qū)域。 應(yīng)該注意的是，幾乎所有變頻器在出廠時(shí)都將U/f線設(shè)定在具有一定補(bǔ)償量的情況下（U/f1）。,第一節(jié) 概 述,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),一、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的組成 1.恒壓供水的控制要求 對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)質(zhì)就是為了滿足用戶對(duì)流量的需求，所以流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，而流量的大小取決于水泵的揚(yáng)程。 1)如供水能力QG用水需求QU，則壓力上升(p)。 2)如供水能力QG用水需求QU，則壓力下降(p)。 3)如供水能力QG=用水需求QU，則壓力不變(p=常數(shù))。,可見(jiàn)，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力上的變化，從而壓力就成為用來(lái)作為控制流量大小的參變量。 2.恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理,圖6-9 恒壓供水系統(tǒng)框圖,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),(1)恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)框圖如圖6-9所示。 由圖69可知，變頻器有兩個(gè)控制信號(hào)。 1)目標(biāo)信號(hào)XT：即給定端2上得到的信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)與壓力的控制目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的值，通常用百分?jǐn)?shù)表示，也可以用鍵盤(pán)直接給定。 2)反饋信號(hào)XF：即反饋信號(hào)端4上得到的信號(hào)，是壓力傳感器SP反饋回來(lái)的信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)反映實(shí)際壓力的信號(hào)。 (2)某生活小區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng) 圖6-10是某生活小區(qū)住宅樓宇自動(dòng)恒壓供水泵站的控制系統(tǒng)電路。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),1)主電路： 該裝置主電路采用變頻常用泵和工頻備用泵自動(dòng)與手動(dòng)雙重運(yùn)行模式。,圖6-10 某生活小區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)電路,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),2)控制系統(tǒng)電路：該系統(tǒng)主要由三菱FRA540變頻器和外圍控制電路組成。 該控制電路可以實(shí)現(xiàn)變頻、工頻、一用一備自動(dòng)與手動(dòng)轉(zhuǎn)換控制運(yùn)行，通過(guò)內(nèi)置的頻率信號(hào)變化范圍，設(shè)定開(kāi)關(guān)量輸出，控制主泵電動(dòng)機(jī)和備用泵電動(dòng)機(jī)之間的相互切換。 壓力給定和壓力流量反饋通過(guò)電位器RP1和R1實(shí)現(xiàn)。 利用變頻器內(nèi)PID控制，比較給定壓力信號(hào)和反饋信號(hào)的大小，輸出相應(yīng)的05V電壓控制信號(hào)，自動(dòng)控制水泵進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn), 控制系統(tǒng)的各控制參數(shù)可通過(guò)變頻器面板進(jìn)行顯示。 具有短路、過(guò)電流、過(guò)載等保護(hù)功能。 (3)PID調(diào)節(jié)功能 系統(tǒng)之所以能實(shí)現(xiàn)恒壓供水，主要就是利用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能。,圖6-11 變頻器的PID控制,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),表6-1 各控制量間的關(guān)系,二、變頻器的選型及功能預(yù)置 1.變頻器的選型與控制方式 (1)變頻器的選型 現(xiàn)在大部分變頻器制造廠都專門(mén)設(shè)計(jì)生產(chǎn)適用于“風(fēng)機(jī)、水泵專用型”的變頻器，無(wú)特殊情況下可直接選用。 1)過(guò)載能力較低。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),2)具有閉環(huán)控制和PID調(diào)節(jié)功能。 3)具有“1控X”的切換功能。 (2) 控制方式與U/f設(shè)定 對(duì)于二次方律負(fù)載，以選用U/f控制方式為宜。 2.變頻器的基本功能預(yù)置 (1) 最高頻率 水泵屬二次方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。 (2) 上限頻率 一般上限頻率也可以等于額定頻率，但最好預(yù)置得低一點(diǎn)為宜，主要有如下考慮。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),1)由于變頻器內(nèi)部往往具有轉(zhuǎn)差初始補(bǔ)償功能，因此，同是在50Hz的情況下，水泵在變頻運(yùn)行時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速高于工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。 2)變頻調(diào)速系統(tǒng)如在50Hz運(yùn)行時(shí)，還不如直接在工頻下運(yùn)行為好，這樣可減少變頻器本身的損耗。 所以，將上限頻率預(yù)置為49Hz或495Hz是恰當(dāng)?shù)摹?(3) 下限頻率 在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程，形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。 (4) 起動(dòng)頻率 起動(dòng)前，水泵葉輪全部在水中，起動(dòng)時(shí)，存在著一定的阻力。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),(5) 升速與降速時(shí)間 對(duì)于水泵，它不屬于頻繁地起動(dòng)與制動(dòng)的負(fù)載，其升、降速時(shí)間的長(zhǎng)短并不涉及生產(chǎn)效率問(wèn)題。 (6) 暫停功能 在日常供水系統(tǒng)中，夜間的用水量常常是很少的，即使水泵在下限頻率下運(yùn)行，供水壓力仍能超過(guò)目標(biāo)值。,圖6-12 暫停運(yùn)行功能,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),1)暫停運(yùn)行(睡眠)功能：在恒壓供水系統(tǒng)中，當(dāng)由于用水流量太小而使壓力超過(guò)其預(yù)置值(如圖6-12中的pSL所示)時(shí)，便開(kāi)始計(jì)時(shí)。 2)暫停中止(喚醒)功能：當(dāng)由于用水流量增大，使供水壓力低于壓力下限值pWU時(shí)，暫停中止(喚醒)，重又進(jìn)入正常的恒壓供水運(yùn)行狀態(tài)。 三、變頻器的PID調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn) PID控制屬于閉環(huán)控制，是使控制系統(tǒng)的被控量在各種情況下，都能迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近控制目標(biāo)的一種手段。 1.變頻器的PID接線,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),各種系列的變頻器都有標(biāo)準(zhǔn)接線端子，只不過(guò)標(biāo)識(shí)的符號(hào)各廠家有所區(qū)別，它們的這些接線端子、功能和使用要求相差不大。 (1)PID控制基本原理接線 PID控制基本原理接線如圖6-13所示。,圖6-13 PID控制基本原理接線,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),(2) 控制系統(tǒng)的接線 1)反饋信號(hào)的接入。 2)目標(biāo)信號(hào)的接入。 2.PID控制的工作過(guò)程 PID控制的基本工作過(guò)程流程如圖614所示。,圖6-14 PID控制的基本工作過(guò)程流程,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),圖6-15 PID控制過(guò)程中各參數(shù)的功能,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),3.變頻器中PID的調(diào)節(jié)功能設(shè)定和調(diào)整 (1)PID輸入與輸出(I/O)端子功能 PID輸入與輸出(I/O)端子功能見(jiàn)表6-2。,表6-2 PID輸入與輸出(I/O)端子功能,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),表6-3 設(shè)定信號(hào)與反饋信號(hào)的實(shí)現(xiàn),1)輸入信號(hào)。 PID控制選擇端X14。X14的閉合、斷開(kāi)由參數(shù)Pr.180Pr.186設(shè)定。當(dāng)X14信號(hào)接通時(shí)，開(kāi)始PID控制；反之信號(hào)關(guān)斷時(shí)，變頻器的運(yùn)行不含PID的作用。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn), 設(shè)定值輸入端子25。由變頻器端子25輸入PID設(shè)定值(目標(biāo)值)。Pr.73設(shè)定為5，且AU端子開(kāi)通，運(yùn)行有效；否則外部輸入無(wú)效。0V電壓對(duì)應(yīng)0，5V電壓對(duì)應(yīng)于100變化量。 偏差信號(hào)輸入端子15。偏差信號(hào)由端子15輸入。當(dāng)輸入外部計(jì)算偏差信號(hào)時(shí),參數(shù)Pr.128設(shè)定為“10”或“11”。0V電壓對(duì)應(yīng)0，5V電壓對(duì)應(yīng)于100變化量。 反饋量輸入端子45。從傳感器來(lái)的420mA 的反饋量由端子45輸入。4mA對(duì)應(yīng)于0，20mA對(duì)應(yīng)于100變化量。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),注意：反饋量選擇電流信號(hào)控制時(shí)，選擇電流輸入端子AU一定要接通，否則無(wú)效。 2)輸出信號(hào)。 上限輸出端FUP：輸出指示反饋量信號(hào)已超過(guò)上限值。 下限輸出端FDN：輸出指示反饋量信號(hào)已超過(guò)下限值。 正(反)轉(zhuǎn)方向信號(hào)輸出端子RL：按照參數(shù)Pr.191Pr.195的要求設(shè)定。參數(shù)單元顯示“Hi”表示正轉(zhuǎn)(FWD)或顯示“Low”表示反轉(zhuǎn)(REV)或停止(STOP)。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn), 輸出公共端子SE是FUP、FDN和RL的公共端子。 (2)端子功能設(shè)定 1)設(shè)定PID控制用的輸入端子功能。,表6-4 參數(shù)功能的選定(一),2)設(shè)定PID控制用的輸出端子功能。,表6-5 參數(shù)功能的選定(二),(3)PID參數(shù)功能的設(shè)定 1)PID參數(shù)的功能。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn), Pr.128。 PID動(dòng)作選擇，該功能設(shè)定范圍為034種控制方式，具體說(shuō)明如下。 參數(shù)值為10：對(duì)于加熱或壓力等控制，PID為負(fù)作用。 Pr.129。P增益，該功能設(shè)定范圍分為兩種控制。一種是無(wú)比例控制，參數(shù)值為9999；另一種是有比例控制，參數(shù)設(shè)置范圍為0.110。 P（增益）是決定P動(dòng)作對(duì)偏差響應(yīng)程度的參數(shù)，增益取大時(shí)響應(yīng)快，增益取小時(shí)響應(yīng)滯后，但過(guò)大將產(chǎn)生振蕩。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn), Pr.130。I積分時(shí)間常數(shù)，該功能設(shè)定范圍分為兩種控制。一種是無(wú)積分控制，設(shè)定值為9999；另一種是有積分控制，參數(shù)設(shè)定范圍為0.13600s。積分時(shí)間長(zhǎng)時(shí)響應(yīng)遲緩，對(duì)外部擾動(dòng)的控制能力變差；積分時(shí)間短時(shí)，響應(yīng)速度快，過(guò)小時(shí)將發(fā)生振蕩。通常在0.10.5s之間。 Pr.131、Pr.132。 PID檢測(cè)值的上限與下限，該功能設(shè)定范圍同樣分為兩種方式控制。一種是上、下限功能無(wú)效；另一種是上、下限功能有效。當(dāng)設(shè)定上限、下限時(shí)，如果檢測(cè)值超過(guò)此設(shè)定范圍，就輸出FUP信號(hào)與報(bào)警信號(hào)，檢測(cè)值的4mA等于0%，20mA等于100%變化量。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn), Pr.133。用PU操作面板模式設(shè)定PID目標(biāo)值，設(shè)定值范圍0%100%。僅在PU操作或PU/外部組合模式下對(duì)于PU指令有效。 對(duì)于外部操作，頻率設(shè)定電壓值由端子25間的電壓決定。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn), Pr.134。D微分時(shí)間常數(shù)，該功能設(shè)定范圍也同樣分為兩種控制。一種是無(wú)微分控制，參數(shù)值為9999；另一種是有微分控制，參數(shù)值在0.0110.00s之間。微分時(shí)間常數(shù)僅向微分作用提供一個(gè)與比例作用相同的檢測(cè)值，隨著時(shí)間的增加，偏差改變會(huì)有較大的響應(yīng)。通常在0.010.2s之間設(shè)定。 2)PID功能參數(shù)的設(shè)定。 Pr128=20 壓力控制為負(fù)作用 4.PID控制的調(diào)試 (1)正作用和負(fù)作用,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),1)正作用：當(dāng)偏差fX為負(fù)時(shí),增加執(zhí)行量(輸出頻率上升)；如果偏差fX為正值，則減小執(zhí)行量(輸出頻率下降)。 例如，制冷或流量控制如下：,37A.TIF,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),2)負(fù)作用：就是當(dāng)偏差fX值為正時(shí)，增加執(zhí)行量(輸出頻率上升)；當(dāng)偏差fX為負(fù)值，則減小執(zhí)行量(輸出頻率下降)。 例如，加熱或壓力控制如下：,37A.TIF,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),表6-6 偏差與執(zhí)行量之間的關(guān)系,(2)PID控制的模擬調(diào)試,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),圖6-16 PID功能手動(dòng)模擬調(diào)試,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),1)手動(dòng)模擬調(diào)試。 模擬量確定。Pr.73=5即模擬量電壓5V，0V對(duì)應(yīng)于設(shè)定輸出值為0%，5V對(duì)應(yīng)于設(shè)定輸出值為100%?？刂七\(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍0Hz，實(shí)際頻率設(shè)定為30Hz左右。實(shí)際控制壓力范圍01MPa。 給定電壓范圍是05V。目標(biāo)值設(shè)定為0.5MPa，對(duì)應(yīng)