硬件设计培训专家浅谈变频器在恒压供水中的应用

杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训浅谈变频器在恒压供水中的应用概述变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网水压恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统难以实现数据通信，并且带负载的能力也有一定的局限性。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管进口压力保持恒定为条件。二、变频器恒压供水系统设计2.1.变频器选型1、采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。2、变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。3、变频器与负载的匹配问题；1）电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。2）电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。3）转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。4、在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。5、变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。6、对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训综合以上考虑，变频器ABBACS510西门子MM430三晶S系列都是很好的选择，运行的都很稳定，且ABBACS510系列变频器能达1拖6个水泵，变频器有辅助DC24V电源，可以供压力变送器，是很好的一个选择2.2.变频器的结构变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。1.整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.2.平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3.控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式4逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。2.3电路设计与参数设置以ABBACS510系列变频器为列：一拖三水泵，循环软启动具体的接线图与参数的设置，压力变送器为2限制，0-1.6公斤设定压力为0.8公斤，具备自动休眠自动唤醒等功能电路图的设计1）主回路控制回路杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训)保护回路4）参数设置9901=19902=151001=01002=61003=1杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训=71106=191401=311601=04010=14011=50%4022=74023=204024=104025=2%4026=104027=04019=160%8110=508111=508112=208113=208114=208115=108116=108117=28127=38109=50说明：压力设置4011=50%为8公斤压力暂停（睡眠与苏醒）功能在实际生产过程中有时用水量会很小甚至用水量为零，使变频器一直处于低速运转既浪费了能源也对设备会造成一定程度的寿命损失，因此在这种情况下需要让变频器休眠，直到压力下降到一定程度时才允许变频启动。睡眠功能当变频器的工作频率已经降至下限频率，而压力仍偏高时，水泵应暂停工作（使变频器处于睡眠状态）。以ABB的ACS510系列变频器为例，当压力传感器的量程为1MPa，而所要求的供水压力为0.4MPa时，则目标值为40%，“睡眠值”可设定为41%～45%（相当于压力的上限，即4023的设定值）。苏醒功能当水管中的压力小于某一下限值时，应使系统中止睡眠而重新开始工作（即中止暂停或称之为“苏醒”），苏醒值可设定为15%～19%。三、变频器恒压供水的特点(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。(7)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。4、总结随着科技的进步，变频器的功能将会越来越强大，应用范围也会随之越来越广，合理选用具有内置功能的变频器将会给人们带来很大的便捷，不仅有效的节约了成本，也提高了整个控制希望的精度，减少了维护的成本。本文以ABB生产的ACS510系列变频器为例，简单的讲述了变频器内置PID控制的恒压供水系统以及一些参数的设置，只要功能选用的合理，在实际的整个过程中最重要的环节就是根据具体的工艺要求合理的设置参数，强大的内置功能使人们省去了繁杂的计算与操作，杭州端德教育硬件工程师培训fpga硬件设计培训/plc硬件设计培训使工作过程更简易化。