提升變頻器恒壓水泵管線壓力探頭使用壽命的研究

提升變頻器恒壓水泵管線壓力探頭使用壽命的研究

摘要：恒壓水泵在工業(yè)消防系統(tǒng)及樓宇生活用水系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。首先，本文主要介紹穩(wěn)壓水泵的工作原理；然后，說(shuō)明PID反饋壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋的控制方式，分析反饋壓力信號(hào)存在誤差的原因；最后，結(jié)合一臺(tái)運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行情況，通過(guò)優(yōu)化反饋信號(hào)及更改變頻器控制參數(shù)，從而達(dá)到延長(zhǎng)管線壓力表使用壽命的目的。關(guān)鍵字：恒壓水泵遠(yuǎn)傳壓力表內(nèi)部PID施耐德Altivar611引言恒壓水泵在工業(yè)消防系統(tǒng)及樓宇生活用水系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，本水泵常由變頻器通過(guò)PID負(fù)反饋控制方式拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)管線壓力恒定的目的。穩(wěn)壓水泵壓力表即可顯示管線壓力，也能為變頻器反饋管線壓力信號(hào)，變頻器通過(guò)反饋的壓力信號(hào)，結(jié)合變頻器預(yù)設(shè)的目標(biāo)壓力，通過(guò)增減輸出頻率實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋功能。但實(shí)際運(yùn)行中，安裝在穩(wěn)壓泵出口管線的壓力表使用壽命較低，往往在運(yùn)行1年至2年就需更換。2恒壓水泵的工作原理恒壓供水就是要時(shí)刻讓供需達(dá)到平衡，若供需之間沒(méi)有達(dá)到平衡,用戶水壓將發(fā)生變化。因而可根據(jù)水壓變化實(shí)現(xiàn)對(duì)流量變化的控制,以確保供需之間的動(dòng)態(tài)平衡[1]。圖1恒壓水泵工作示意圖2.1各單元功能介紹該恒壓水泵電氣控制系統(tǒng)主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)以及遠(yuǎn)傳壓力表構(gòu)成。（1）變頻器為主要控制單元?？梢酝蟿?dòng)電動(dòng)機(jī)增速及減速運(yùn)行，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)，還可以在內(nèi)部參數(shù)設(shè)定水泵出口處穩(wěn)定的壓力值。另外，變頻器控制端子輸出的DC10V恒壓電源加在遠(yuǎn)傳壓力表反饋信號(hào)兩端，將遠(yuǎn)傳壓力表電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作為變頻器的輸入信號(hào)。（2）電動(dòng)機(jī)是主要實(shí)施單元。執(zhí)行變頻器發(fā)出的增速及減速等命令，拖動(dòng)離心泵轉(zhuǎn)動(dòng)維持管線壓力。（3）遠(yuǎn)傳壓力信號(hào)是負(fù)反饋的核心元件。通過(guò)檢測(cè)水泵出口處壓力參數(shù)，實(shí)時(shí)以電阻信號(hào)反饋給變頻器，變頻器通過(guò)比較分析反饋壓力和變頻器內(nèi)部預(yù)設(shè)的壓力大小，對(duì)系統(tǒng)管線壓力進(jìn)一步調(diào)整。2.2穩(wěn)壓工作原理（1）當(dāng)恒壓水泵啟動(dòng)后，遠(yuǎn)傳壓力表反饋的數(shù)據(jù)低于變頻設(shè)定值時(shí)，變頻器輸出頻率增加，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)行，恒壓水泵增速后，水泵出口處壓力瞬間增大。（2）當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表發(fā)出壓力升高信號(hào)給變頻器，變頻器內(nèi)部設(shè)定壓力與遠(yuǎn)傳壓力表反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)出口壓力仍舊低于設(shè)定值時(shí)，變頻器輸出頻率繼續(xù)增加；當(dāng)出口壓力等于設(shè)定值時(shí)，變頻器輸出頻率維持不變。（3）當(dāng)變頻器輸出頻率維持不變而管線壓力持續(xù)升高時(shí)，變頻器輸出頻率開(kāi)始降低，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速。（4）當(dāng)變頻器轉(zhuǎn)速降低到最低時(shí)，系統(tǒng)壓力仍舊滿足要求時(shí)，可以設(shè)置變頻器“休眠”功能，使得電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）由于用戶用水等原因造成管線壓力降低后，壓力低于變頻器設(shè)定的最低值時(shí)，啟動(dòng)變頻器“喚醒”功能，重復(fù)執(zhí)行第一步。3遠(yuǎn)傳壓力表誤差分析及解決方案3.1存在誤差分析在實(shí)際工作中，遠(yuǎn)傳壓力表通過(guò)管線壓力數(shù)值與反饋電阻呈線性比例關(guān)系。當(dāng)壓力增加時(shí)，反饋電阻也同步增加，反之亦然。當(dāng)壓力表上施加恒定直流10V電壓時(shí)，壓力表反饋電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作為變頻器反饋的輸入調(diào)速信號(hào)。在運(yùn)行期間，反饋的壓力信號(hào)往往存在一定誤差，其主要原因主要集中在以下幾點(diǎn)：（1）因反饋信號(hào)實(shí)際為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)相較于電流信號(hào)極易受到外部磁場(chǎng)的影響，產(chǎn)生不穩(wěn)定的電壓信號(hào)，可能對(duì)變頻器接收到的反饋電壓信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾。（2）因反饋信號(hào)電纜線路較長(zhǎng)，電壓在電纜內(nèi)部傳輸過(guò)程中有衰減，造成反饋管線壓力信號(hào)與實(shí)際壓力略有差異。（3）因遠(yuǎn)傳電壓表電阻功率較小，通過(guò)的額定電流較低，當(dāng)加在壓力表反饋電阻的10V電壓極易發(fā)熱造成電阻阻值升高，甚至發(fā)生熔斷，使得反饋給變頻器的電壓信號(hào)有較大誤差。3.2解決方案由于反饋的電壓信號(hào)發(fā)生波動(dòng)對(duì)控制回路影響較大，應(yīng)主要從以下措施進(jìn)行改善：（1）為了減少線路沿線電磁干擾，應(yīng)選用帶有屏蔽線的信號(hào)電纜，且應(yīng)在其中一端接地。（2）遠(yuǎn)傳壓力表與變頻器距離不宜較大，長(zhǎng)度易小于20米[2]。因線路電阻可能造成PID反饋誤差，當(dāng)距離較大時(shí)可增加芯線截面積或采用多芯并芯接線來(lái)降低線路電阻。（3）敷設(shè)時(shí)不宜與動(dòng)力電纜同路徑近距離敷設(shè)，最好采用橋架、保護(hù)管等敷設(shè)方式代替電纜溝或直埋敷設(shè)。（4）可以降低加在遠(yuǎn)傳壓力表電阻上的電壓，從而降低工作電流，降低其發(fā)熱量，建議在壓力表電阻前串聯(lián)一根額定電流較大的電阻，使得電壓集中在新串聯(lián)的電阻上。4實(shí)例應(yīng)用4.1實(shí)例某消防水穩(wěn)壓系統(tǒng)采用Altiar61型低壓變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，采用變頻器內(nèi)部PID反饋方式。電動(dòng)機(jī)功率為37kW，一開(kāi)一備。具體要求如下：（1）現(xiàn)場(chǎng)管線遠(yuǎn)傳壓力表量程為0~1.6Mpa，壓力表滿量程時(shí)對(duì)應(yīng)反饋電阻阻值為400Ω。（2）生產(chǎn)工藝要求控制消防水管線壓力維持在0.75Mpa。（3）當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率低于10Hz時(shí)，持續(xù)60s后可認(rèn)為系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，變頻器啟動(dòng)休眠模式，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。（4）當(dāng)系統(tǒng)管線壓力低于0.70Mpa時(shí)，變頻器啟用“喚醒”模式，重新啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，為管線穩(wěn)壓。4.2解決方案（1）為了延長(zhǎng)遠(yuǎn)傳壓力表使用壽命，降低壓力表電阻電流，可在變頻器柜處串聯(lián)阻值為600Ω的電阻，使得加在遠(yuǎn)傳壓力表電阻上的電壓最高僅為4V，6V加在新增電阻兩端。這樣，流過(guò)壓力表電阻上的電流由原來(lái)的25mA降低到10mA，大大降低了電阻發(fā)熱。此時(shí)應(yīng)將變頻器內(nèi)部設(shè)定的最高PID值改為：P=1600bar/4V*10V=4000bar（1）（2）啟動(dòng)變頻器“休眠/喚醒”功能，將變頻休眠條件根據(jù)要求設(shè)定。啟動(dòng)誤差設(shè)定為50bar，即當(dāng)變頻器休眠狀態(tài)下，管線壓力維持0.7Mpa~0.75Mpa間，變頻器維持休眠，當(dāng)壓力低于0.7Mpa時(shí)，變頻器啟動(dòng)“喚醒”模式，根據(jù)壓力下降速度，通過(guò)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)管線壓力，使之維持在0.75Mpa。（3）具體Altivar61變頻器參數(shù)設(shè)定表如下：表1Altivar61變頻器參數(shù)設(shè)定表序號(hào)菜單設(shè)定值說(shuō)明1.7PID調(diào)節(jié)器（設(shè)置變頻器內(nèi)部PID壓力量程及恒壓設(shè)定值、設(shè)置反饋的輸入通道）1PID反饋分配AI1給定設(shè)定電壓PID反饋方式，通道選擇AI12PID反饋?zhàn)钚≈?barAI1反饋電壓最小值，即管線壓力為0MPa3PID反饋?zhàn)畲笾?000barAI1反饋壓力最大值，即管線壓力為1.6Mpa,反饋電壓為4V,10V對(duì)應(yīng)最大反饋壓力為P=1600bar/4V*10V=4000bar4PID給定最小值150bar“內(nèi)部PID給定”設(shè)定值大于本設(shè)定值即可5PID給定最大值900bar“內(nèi)部PID給定”設(shè)定值小于本設(shè)定值即可6內(nèi)部PID給定分配YES開(kāi)啟恒壓PID反饋給定功能7內(nèi)部PID給定750bar根據(jù)設(shè)計(jì)壓力，要求管線壓力0.75Mpa1.7睡眠或喚醒（設(shè)置低速運(yùn)行且管線壓力恒定時(shí)變頻器停機(jī)，壓力低于0.7Mpa重新啟動(dòng)）8低速運(yùn)行超時(shí)60s當(dāng)變頻器10Hz低速運(yùn)行30s后停機(jī)9低速頻率10當(dāng)變頻器10Hz低速運(yùn)行30s后停機(jī)10PID喚醒誤差閾值50指當(dāng)變頻器低于PID設(shè)定值（即750bar）超過(guò)0.05Mpa運(yùn)行時(shí)，也就是說(shuō)運(yùn)行壓力低于0.7Mpa啟動(dòng)喚醒模式，變頻器重新上電啟動(dòng)5結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)傳壓力表電阻串聯(lián)一附加電阻，降低了施加在壓力表電阻上的電壓，從而降低了流過(guò)壓力表電阻神最大工作電流，降低了電阻發(fā)熱，延長(zhǎng)了壓力表的使用壽命。若壓力表的使用壽命仍較短，可以繼續(xù)增加穿入壓力表中電阻的阻值，進(jìn)一步降低流入壓力表電阻的電流，其使用壽命可以大大增加。另外，通過(guò)變頻器內(nèi)部“休眠/喚醒”模式設(shè)