恒压供水的控制与节能的探索
摘要:在简要分析国内外给水系统现状的基础上,介绍了系统的组成,提出了以变频调速为核心所构成的全自动给水系统控制方式,并以实例详细分析了该系统的组成、工作原理以及在控制与节能方面所表现出的优越性.文中根据作者的实际使用经验,简要阐述了该系统在应用中应注意的一些问题。
关键词: 变频调速;恒压供水。PID调节器中图法
一、引 言
目前,我国居民小区与高层建筑的生活供水,普遍采用工频方式.它存在着能耗大,噪音高,水源存在二次污染等诸多问题.而用变频调速控制的给水装置是一种较为理想的模式.进入90年代中后期,随着变频调速技术的不断发展与完善,基于该项技术的全自动恒压给水方式已在发达国家得到广泛的应用,且日趋成熟.近几年来,作者在变频调速给水控制系统的设计与施工方面做了些实际工作,积累了一些经验,并形成了对于一些问题的看法.水泵节能原理变频调速系统之所以得到推广,一个很重要的原因就是它有较好的节能效果.
一台水泵的实际扬程与电源频率的平方成正比.因而通过变频器改变水泵电机的供电频率,就可控制水泵的供水压力.恒压供水自动控制变频恒压供水原理框图如图1所示. 为给定的压力值, 为压力传感器从管道上所测得的实际压力值,PID调节器通过对两者的误差运算,并经过控制变频器的频率输出,从而使管道的压力始终保持在设定值上。
该系统能自动检测用户的瞬时水压,据此调节给水量的多少及电机的运行状况.还可根据所需的给水压力设定控制压力值,让设备始终处于恒压状态,从负载电机的特性可知,所配电机的轴功率与其转速的三次方成正比,即 .例如,当变频器输出频率为35Hz(最高设定为50Hz),也就是实际转速为额定转速的70%时,调速器的用电量为0.343,约占额定的35%.也就是说,水泵总处于恒压变流量匹配方式的工作状态,从而消除了超压和回流的无功损耗.恒速与变频调速轴功率变化曲线如图2所示,比较可知,变频调速方式节能效果最为明显。
二、实例分析：
恒压供水是通过变频调速来调节水的流量从而达到恒压的目的,它最终控制的目标是水压.控制对象具有非线性、滞后特性.PID调节器性能的好坏,在很大程度上决定了恒压供水的质量.当系统在启动与停止阶段,或压力设定值大幅度变化时,由于在短时间内存在很大的偏差,因而无论PID调节器的控制算法采用增量式还是位置式,其积分项将取蓄水池、水泵组(1M,2M)及相关辅配件构成.本系统的核心是变频调速控制柜,它通过压力传感器对管网压力进行实时监测,并转换为电信号提供给变频器进行运算,通过变频器、可编程控制器PLC与继电器阵列的共同控制,构成了完善的全自动变频调速给水系统。
变频器的品种繁多,如三菱、富士、三肯及ABB等型号.一般常选用泵类、风机专用系列.以三菱FR-A140E为例,它除了一般品牌所具有的功能外,还有如下特点:内部采用IPM智能功率模块,使电机的噪音减至最低;变频器与工频电源之间可进行切换,用户只需通过PLC输入启动、停止及自动切换指令,就可方便地通过接触器的互锁动作来切换不同的水泵,而不需要像以往那样自行设计繁琐的控制程序,这是该变频器所特有的功能之一;内置的瞬时停电再启动与再试启动功能,在无人看管的情况下,即使变频器停机后也可自行启动,完全实现了以自动化方式的运行.本系统中的PID调节器可用变频器内置式值很大,这就会存在偏差调节.在消除偏差调节的过程中,必然导致系统出现较大的超调和长时间的振荡,同时还会产生严重的积分饱和现象,从而影响了设备的正常运行.要把这种影响降至最低,就应在控制算法中采用积分分离的PID控制方式,以达到预期效果.经这样处理后,可大大缩短系统达到稳定的过渡过程时间.系统中配备两台11kW水泵(1M为主泵,2M为备用泵)供600余户居民用水.两台泵同时工作时提供最大高峰流量,单台则满足小流量和夜间供水.另外,所有水泵均能以变频方式运行,即可以循环方式软启动,这样能减小对电网和管网的冲击.值得注意的是,两泵在变频与工频之间切换时,仅有程序互锁是不够的,输出必须采用机械联锁接触器,这样可避免两个接触器瞬间同时闭合的情况,以免造成电源的瞬间短路。
变频调速系统的主回路原理图,压力传感器P实时监测水压信号的大小,信号经PID处理,输入至变频器.小流量时,水泵电机1M运转(1KM1吸合),并通过反馈通道不断调整其转速,以保持压力的恒定;在大流量的情况下,经压力比较电路通过PLC发出“变频/工频切换”与“运行联锁”指令,机械联锁接触器(2KM(2KM1+2KM2)中的2KM2、接触器3KM得电.这时,电机2M以变频方式启动,1M则切换至工频全速运行.这样,本系统能始终将用水量维持在一个恒定的压力上.前述小区建成初期,供水采用工频方式,因能耗大,可靠性差,住户反映强烈.改用变频供水后,装机总容量较原设备减小25%,实际综合节电指标接近30%,效果显著。
三、应用中的几个问题
在大多数情况下,现场的使用环境较为恶劣.变频器虽然本身具有很强的保护功能,如欠压、过压、过流、电流限幅选择整定、过载、过热、缺相、短路及断水保护功能等,但仍应做到防患于未然.经使用发现,三菱、富士两种品牌,由于在设计和制造中充分考虑了各种恶劣的运行环境.在同样条件下的可靠性和使用寿命较某些品牌高.湖北鄂西山区某小城市,平均海拔1200m,常年大部分时间湿度偏高(80%左右),二氧化硫污染严重,某厂生产的一套变频供水设备,因未考虑上述因素,以至于不到一年的时间,设备的有关部件严重腐蚀.而我们在同一地区设计、安装的同类产品,因充分考虑了各种不同的情况,在设备与元件的选型上,采用了船用标准.经两年多的使用,运行良好,经受了各种严峻的考验.在实际使用中发现,变频器本身就是一个强大的干扰发生源,往往会影响设备的正常运行.特别是水泵低转速运转时,变频器上显示的频率与实际运行频率不符.干扰的传播途径一般有两种:线路串扰和空间辐射干扰.根据现场的实际情况可采取相应的措施予以解决.例如,对可编程控制器的电源端增加滤波与吸收回路,PID调节器单元的输入输出一定要有可靠屏蔽,将变频器、电机上的接地端子牢固地与接地桩子相连,控制线与动力线要留有一定的距离,以增强抗电磁干扰的能力.只有这样,才能使系统在高温、潮湿、霉菌、强干扰等严酷的条件下保持长期稳定的工作状态。
