變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應.ppt

陳立香 主編,變頻調(diào)速,本章應會,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)運行在恒壓供水系統(tǒng)中的應用。 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)揚程 是指單位質(zhì)量的液體通過泵后所獲得的能量，通常稱為揚程。 (3)全揚程 也叫總揚程，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，符號是HT。,第一節(jié) 概 述,(4)實際揚程 即通過水泵實際提高水位所需的能量，符號是HA。 (5)損失揚程 全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程，符號是HL。 HT=HA+HL（61） (6)管阻 表示管道系統(tǒng)(包括水管、閥門等)對水流阻力的物理量，符號是P。 二、供水系統(tǒng)的特性與工作點 1.供水系統(tǒng)的特性 (1)揚程特性 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?。≦G=Q1）時，所需揚程也較?。℉T=HT1）如B1點；反之，在供水流量較大（QG=Q2）時，所需揚程也較大（HT=HT2）如B2點。,圖6-2 揚程特性,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,圖6-4 供水系統(tǒng)的工作點,第一節(jié) 概 述,(1)工作點 揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖6-4中的A點所示。 (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，最根本的控制對象是流量，因此要研究節(jié)能問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)閥門控制法 即通過關小、開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉速則保持不變，通常為額定轉速。 (2)轉速控制法 即通過改變水泵的轉速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變(通常為最大開度)。 2.轉速控制法的節(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，轉速控制時的揚程比閥門控制時小得多，所以轉速控制方式所需供水功率比閥門控制方式小很多，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)從電動機的效率看節(jié)能 水泵廠在生產(chǎn)水泵時，由于對用戶的管路情況無法預測，而且管阻特性難以準確計算；同時，還必須對用戶的需求留有足夠余量。 采用了轉速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當降低轉速，由于電動機在低頻運行時變頻器的輸出電壓也將下降，從而提高電動機的工作效率，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、二次方律負載實現(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是二次方律負載的機械特性。,圖6-8 電動機的有效轉矩與低頻U/f曲線 a)有效轉矩與二次方律負載 b)低頻U/f曲線,第一節(jié) 概 述,1)U/f線選用曲線01。 2)適當加大起動頻率，以避免死點區(qū)域。 應該注意的是，幾乎所有變頻器在出廠時都將U/f線設定在具有一定補償量的情況下（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 對供水系統(tǒng)進行控制，實質(zhì)就是為了滿足用戶對流量的需求，所以流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象，而流量的大小取決于水泵的揚程。 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，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作為控制流量大小的參變量。 2.恒壓供水系統(tǒng)的構成和工作原理,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，變頻器有兩個控制信號。 1)目標信號XT：即給定端2上得到的信號，該信號是一個與壓力的控制目標相對應的值，通常用百分數(shù)表示，也可以用鍵盤直接給定。 2)反饋信號XF：即反饋信號端4上得到的信號，是壓力傳感器SP反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。 (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與手動雙重運行模式。,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。 該控制電路可以實現(xiàn)變頻、工頻、一用一備自動與手動轉換控制運行，通過內(nèi)置的頻率信號變化范圍，設定開關量輸出，控制主泵電動機和備用泵電動機之間的相互切換。 壓力給定和壓力流量反饋通過電位器RP1和R1實現(xiàn)。 利用變頻器內(nèi)PID控制，比較給定壓力信號和反饋信號的大小，輸出相應的05V電壓控制信號，自動控制水泵進行調(diào)速運行。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn), 控制系統(tǒng)的各控制參數(shù)可通過變頻器面板進行顯示。 具有短路、過電流、過載等保護功能。 (3)PID調(diào)節(jié)功能 系統(tǒng)之所以能實現(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)的實現(xiàn),表6-1 各控制量間的關系,二、變頻器的選型及功能預置 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設計生產(chǎn)適用于“風機、水泵專用型”的變頻器，無特殊情況下可直接選用。 1)過載能力較低。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(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設定 對于二次方律負載，以選用U/f控制方式為宜。 2.變頻器的基本功能預置 (1) 最高頻率 水泵屬二次方律負載，當轉速超過其額定轉速時，轉矩將按平方規(guī)律增加。 (2) 上限頻率 一般上限頻率也可以等于額定頻率，但最好預置得低一點為宜，主要有如下考慮。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),1)由于變頻器內(nèi)部往往具有轉差初始補償功能，因此，同是在50Hz的情況下，水泵在變頻運行時，實際轉速高于工頻運行時的轉速，從而增大了水泵和電動機的負載。 2)變頻調(diào)速系統(tǒng)如在50Hz運行時，還不如直接在工頻下運行為好，這樣可減少變頻器本身的損耗。 所以，將上限頻率預置為49Hz或495Hz是恰當?shù)摹?(3) 下限頻率 在供水系統(tǒng)中，轉速過低，會出現(xiàn)水泵的全揚程小于實際揚程，形成水泵“空轉”的現(xiàn)象。 (4) 起動頻率 起動前，水泵葉輪全部在水中，起動時，存在著一定的阻力。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),(5) 升速與降速時間 對于水泵，它不屬于頻繁地起動與制動的負載，其升、降速時間的長短并不涉及生產(chǎn)效率問題。 (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行，供水壓力仍能超過目標值。,圖6-12 暫停運行功能,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),1)暫停運行(睡眠)功能：在恒壓供水系統(tǒng)中，當由于用水流量太小而使壓力超過其預置值(如圖6-12中的pSL所示)時，便開始計時。 2)暫停中止(喚醒)功能：當由于用水流量增大，使供水壓力低于壓力下限值pWU時，暫停中止(喚醒)，重又進入正常的恒壓供水運行狀態(tài)。 三、變頻器的PID調(diào)節(jié)功能的實現(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，都能迅速而準確地無限接近控制目標的一種手段。 1.變頻器的PID接線,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),各種系列的變頻器都有標準接線端子，只不過標識的符號各廠家有所區(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)的實現(xiàn),(2) 控制系統(tǒng)的接線 1)反饋信號的接入。 2)目標信號的接入。 2.PID控制的工作過程 PID控制的基本工作過程流程如圖614所示。,圖6-14 PID控制的基本工作過程流程,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),圖6-15 PID控制過程中各參數(shù)的功能,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),3.變頻器中PID的調(diào)節(jié)功能設定和調(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)的實現(xiàn),表6-3 設定信號與反饋信號的實現(xiàn),1)輸入信號。 PID控制選擇端X14。X14的閉合、斷開由參數(shù)Pr.180Pr.186設定。當X14信號接通時，開始PID控制；反之信號關斷時，變頻器的運行不含PID的作用。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn), 設定值輸入端子25。由變頻器端子25輸入PID設定值(目標值)。Pr.73設定為5，且AU端子開通，運行有效；否則外部輸入無效。0V電壓對應0，5V電壓對應于100變化量。 偏差信號輸入端子15。偏差信號由端子15輸入。當輸入外部計算偏差信號時,參數(shù)Pr.128設定為“10”或“11”。0V電壓對應0，5V電壓對應于100變化量。 反饋量輸入端子45。從傳感器來的420mA 的反饋量由端子45輸入。4mA對應于0，20mA對應于100變化量。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),注意：反饋量選擇電流信號控制時，選擇電流輸入端子AU一定要接通，否則無效。 2)輸出信號。 上限輸出端FUP：輸出指示反饋量信號已超過上限值。 下限輸出端FDN：輸出指示反饋量信號已超過下限值。 正(反)轉方向信號輸出端子RL：按照參數(shù)Pr.191Pr.195的要求設定。參數(shù)單元顯示“Hi”表示正轉(FWD)或顯示“Low”表示反轉(REV)或停止(STOP)。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn), 輸出公共端子SE是FUP、FDN和RL的公共端子。 (2)端子功能設定 1)設定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)的實現(xiàn), Pr.128。 PID動作選擇，該功能設定范圍為034種控制方式，具體說明如下。 參數(shù)值為10：對于加熱或壓力等控制，PID為負作用。 Pr.129。P增益，該功能設定范圍分為兩種控制。一種是無比例控制，參數(shù)值為9999；另一種是有比例控制，參數(shù)設置范圍為0.110。 P（增益）是決定P動作對偏差響應程度的參數(shù)，增益取大時響應快，增益取小時響應滯后，但過大將產(chǎn)生振蕩。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn), Pr.130。I積分時間常數(shù)，該功能設定范圍分為兩種控制。一種是無積分控制，設定值為9999；另一種是有積分控制，參數(shù)設定范圍為0.13600s。積分時間長時響應遲緩，對外部擾動的控制能力變差；積分時間短時，響應速度快，過小時將發(fā)生振蕩。通常在0.10.5s之間。 Pr.131、Pr.132。 PID檢測值的上限與下限，該功能設定范圍同樣分為兩種方式控制。一種是上、下限功能無效；另一種是上、下限功能有效。當設定上限、下限時，如果檢測值超過此設定范圍，就輸出FUP信號與報警信號，檢測值的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)的實現(xiàn), Pr.133。用PU操作面板模式設定PID目標值，設定值范圍0%100%。僅在PU操作或PU/外部組合模式下對于PU指令有效。 對于外部操作，頻率設定電壓值由端子25間的電壓決定。,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn), Pr.134。D微分時間常數(shù)，該功能設定范圍也同樣分為兩種控制。一種是無微分控制，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。微分時間常數(shù)僅向微分作用提供一個與比例作用相同的檢測值，隨著時間的增加，偏差改變會有較大的響應。通常在0.010.2s之間設定。 2)PID功能參數(shù)的設定。 Pr128=20 壓力控制為負作用 4.PID控制的調(diào)試 (1)正作用和負作用,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),1)正作用：當偏差fX為負時,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)的實現(xiàn),2)負作用：就是當偏差fX值為正時，增加執(zhí)行量(輸出頻率上升)；當偏差fX為負值，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)的實現(xiàn),表6-6 偏差與執(zhí)行量之間的關系,(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)的實現(xiàn),圖6-16 PID功能手動模擬調(diào)試,第二節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn),1)手動模擬調(diào)試。 模擬量確定。Pr.73=5即模擬量電壓5V，0V對應于設定輸出值為0%，5V對應于設定輸出值為100%。控制運轉頻率范圍0Hz，實際頻率設定為30Hz左右。實際控制壓力范圍01MPa。 給定電壓范圍是05V。目標值設定為0.5MPa，對應