FR-500變頻器在恒壓供水系統的應用
來源：三菱電機自動化（中國）有限公司 閱讀：4051 更新時間：2012-08-08 09:011.概述
恒壓供水控制系統的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與可編程控制器（PLC）構成控制系統，進行優化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發出控制指令，控制泵電動機的投運臺數和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值上。
隨著電力電子技術的發展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發展。進入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發展。作為應用現代電力電子器件與微計算機技術有機結合的交流變頻調速裝置，隨著產品的開發創新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發生一場巨大的技術革命。目前自動恒壓供水系統應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統的控制裝置采用 PLC控制器，因PLC不僅可實現泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統的數字PID調節功能，可對系統中的各種運行參數、控制點的實時監控，并完成系統運行工況的CRT畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統具有標準的通訊接口，可與城市供水系統的上位機聯網，實現城區供水系統的優化控制，為城市供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經濟運行的手段。
2.控制方案
在住宅小區水廠的管網系統中，由于管網是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網中壓力最不利點的壓力損失ΔP和流量Q之間存在著如下關系：
ΔP=KQ2；
式中K—為系數
設PL為壓力最不利點所需的最低壓力，則泵站出口總管壓力P應按下式關系供水，則可滿足用戶用水的要求壓力值，又有最佳的節能效果。
P=PL+ΔP=PL+ KQ2；
因此供水系統的設定壓力應該根據流量的變化而不斷修正設定值，這種恒壓供水技術稱為變量恒壓供水，即供水系統最不利點的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續可調。
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典型的自動恒壓供水系統的結構框圖如圖1所示；系統具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統通過安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實時將壓力、流量非電量信號轉換為電信號，輸入至可編程控制器（PLC）的輸入模塊，信號經CPU運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出最佳的運行工況參數，由系統的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制泵站投運水泵的臺數及變量泵的運行工況，并實現對每臺水泵根據CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統可根據用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環運行，以提高系統的穩定性及供水的質量。
3.系統功能
該系統選用FR-500日本三菱變頻器。該系統中具有功能：
3.1自動切換變頻/工頻運行功能
變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：
方式0：基本工作方式。變頻器始終固定驅動一臺泵并實時根據其輸出頻率：控制其他輔助泵啟停。即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時則停止最后啟動的輔助泵。由此控制增減工頻運行泵的臺數。
方式1：交替方式，變頻器通常固定驅動某臺泵，并實時根據其輸出頻率，使輔助泵工頻運行，此方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵1→泵2，當變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變為泵2→泵1。
方式2：直接方式。當啟信號輸入時變頻器啟動第一臺泵當該泵達到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。
3.2PID的調節功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號(4-20MA或-5V)直接送入PLC的A/D口(可以通過手持編程器)，設定給定壓力值，PID參數值，并通過PLC計算何以需切換泵的操作完成系統控制，系統參數在實際運行中調整，使系統控制響應趨于完整。
3.3“休眠”功能
系統運行時經常會遇到用戶用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節能，該系統專用設置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下限時，變頻器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止(處于休眠狀態)。當水壓繼續升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉2＃泵或3＃泵，當頻率到達一定值后將啟動1＃泵調節2＃或3＃泵的轉速。
“休眠值”變頻器輸出的下限頻率PR507設置。
“休眠確認時間”用參數PR506設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間如小于休眠時間td時，即td＜tn時變頻器繼續工作，當td＞tn時變頻器將進入休眠狀態。
“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當供水壓力低于下限值時由PLC發出指令喚醒變頻器工作。
經測試“休眠值”為10HZ。“休眠確認時間”td:20s“喚醒值”70%
3.4通訊功能
該系統具有計算機的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口PLC可選用西門子的S7-200計算機可以與一套或多套系統進行通訊，利用計算機同時可以監測：電流、電壓、頻率、轉速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數。
此外該系統還具有手動/自動操作，故障報警，運行狀態，電流，電壓、頻率狀態顯示缺水保護等功能。
4.運行特征
以三臺水泵的恒壓供水系統為例，系統在自動運行方式下，可編程控制器控制變頻器軟啟動1#泵，此時1#泵進入變頻運行狀態，其轉速逐漸升高，當供水量 Q<1/3Qmax時（Qmax為三臺水泵全部工頻運行時的最大流量），可編程控制器CPU根據根據供水量的變化自動調節1#泵的運行轉速，以保證所需的供水壓力。當用水量Q在1/3Qmax<Q<2/3Qmax之間時，1#泵已不能滿足用戶所需的用水量，這時可編程控制器發出指令將 1#泵轉為工頻運行，并軟啟動2#泵，使2#泵進入變頻運行工況，2#泵的運行轉速由用戶用水量決定，以保證供水系統最不利點所需的供水壓力。當外需供水量Q為2/3Qmax<Q<Qmax時，可編程控制器發出指令再將2#泵置于工頻運行狀態，同時軟啟動3#泵進入變頻運行工況，此時3#泵的運行轉速由用戶的用水量確定，以保證供水系統最不利點的供水壓力恒定。
當外供水量減少至1/3Qmax<Q<2/3Qmax之間時，3#泵的轉速逐漸降至接近于零，此時可編程控制器發出1#泵退出運行指令。在 3#泵退出運行后，3#泵的轉速逐漸升高，繼續處于變頻運行工況，其轉速仍由外供水量決定。當外供水量繼續減少至Q<1/3Qmax時，可編程控制器發出2#泵退出運行指令，此時3#泵仍處于變頻運行工況。當外供水量再增至1/3Qmax<Q<2/3Qmax之間時，3#泵轉為工頻運行狀態，可編程控制器發出1#泵軟啟動指令并使其進入變頻運行工況，如此往復循環以實現系統的恒壓供水。
5.系統經濟效益分析及系統優點
5.1經濟效益分析
變量泵的功率N1、供水量Q1與泵轉速n 1三者的關系如下式： N1/Q1=（n 1/n）3 Q1/Q= n 1/n 式中Q—額定流量，Q1<Q N—額定流量Q時的軸功率 n—水泵的額定轉速 因額定流量Q=100%時，n=100%，N=100%，若n 1=90%n時Q1=90%Q，N1=72.9%N，即可節電27.1%。若n 1=80%n時Q1=80%Q，N1=51.2%N，即可節電48.8%。
5.2系統優點
5.2.1恒壓供水技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。
5.2.2由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。
5.2.3因實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。
5.2.4水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統的喘振。
5.2.5由于變量泵工作在變頻工作狀態，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過程中可節約可觀的電能，其經濟效益是十分明顯的。由于其節電效果明顯，所以系統具有收回投資快，而長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大。
