摘要：台达F系列变频器、PID控制在供水行业里的应用
关键字：PID 差频同相

1 引言

在变频技术应用还未广泛的时期,区域供水系统都是经由市政管网经过二次加压和高位水塔储水池来满足用户对供水压力的要求。日常供水控制通常采用水泵恒速运行加上调整出口阀开度的方式调节供水的水量水压。而由水泵的扬程特性图及管阻特性图可知这种靠调节输出阀门来进行恒压供水的方式使得大量能量消耗在出口阀门而造成浪费,而且存在水池的二次污染问题。

2 恒压供水原理

2.1 供水原理

变频技术通过调速节约了在改变阀门开度上造成的能量浪费,并且由于取消水塔而从原理上解决二次污染问题。阀门控制法的本质是水泵本身的供水能力不变,通过改变水路中的管阻大小来改变流量,以适应用户对流量的需求。而转速特性是在阀门开度不变的情况下,通过调节转速来达到用户要求的水量。我们知道流量与扬程的乘积近似为供水功率,如图1水泵的扬程特性及管阻特性图所示,假定现在用户用水量稳定在E点,我们可以看到在阀门开度不变的情况下单纯调节转速所需要的供水功率(面积OECD)小于转速不变而单纯调节阀门所需的供水功率(面积ABOE),所以说变频技术节约了能量,并且解决了二次污染问题。(如图1所示,面积ABCD即为节约的能量)。

图1 水泵扬程及管阻特性

现有的变频水泵恒压供水方式基于PID控制原理,简单概括就是:维持管路供水压力的恒定。当用户用水量加大时,管路压力减小,变频器转速要提高以增加流量补充压力。反之,用户用水量减小时,管路压力增大,变频器转速要降低,使流量适当降低以使压力恒定。

2.2 多泵供水

多泵供水是最常见的变频供水方案。多泵建筑供水系统普遍采用变频器循环控制方式。多泵控制思路是一拖多工变频结合复合式变流量变频供水。在小流量用水时工况，变频器带一台水泵运行,随用水量的变化,调整水泵的转速,实现恒压供水；当用水量增大,变频器达到50HZ时,变频器发出指令,使该变频泵切换到工频,同时使变频器带动下一台水泵变频软启动运行。随用水流量增大,以后各台水泵的软启动依次类推。当用水量减小时,先停转为工频运行的那台水泵。系统主电路如图1所示。有一点需要说明,由于水泵在工频运行时,变频器不可能对电机进行过载保护,所以必须接入热继电器FR,用于工频运行时的过载保护。

图2 一拖多变流量变频供水主电路

我们以台达变频器VFD-F系列为例,其输入,输出端子外部接线见图3，RA1至RA8为多功能继电器输出端子,其中RA3至RA8为选件RY00所提供。为便于理解，把图1控制电路图进行简化,简化后的图省略了断路器,热继电器。在这之前我们要先注意到由于在变频器的输出端是不允许与电源相连接的,因此接触器KM1和KM2绝对不允许同时接通,相互之间必须有非常可靠的机械互锁。经验表明,KM1和KM2采用有机械互锁的接触器是工程推荐的机电复合可靠性设计。同时,电机側由KM1切离到KM2闭合之间的延迟时间也是必须的,这可通过调节F系列变频器11-04的时间参数来实现。

图3 VFD-F变频器外部接线

现在根据图3所示简略描述工变频切换过程。假定现在用户用水流量加大,管道中的压力减小,1号变频泵达到11-06所设定的50HZ后仍未满足压力要求,此时需要加泵以补充管网压力,KM1要等到11-05参数所设定的延迟时间后当面板显示Pu-cH几个字母后(变频器完全停止输出以后)断开,然后KM2要经过11-04所设置的延迟时间后闭合,同时KM3闭合。

当用户用水量继续加大,管道中的压力再一次下降,需要再次加泵以补充管网压力,频率达到11-06所设定的参数50HZ后仍未满足压力要求,KM3要经过11-05所设置的延迟时间后,当面板显示Pu-cH几个字母后断开,然后KM4要经过11-04所设置的延迟时间后闭合,同时KM5闭合。

当用户用水量减小时,管道中的压力回升,需要减工频泵,本着先起先停的原则,1号水泵先启动所以一号水泵先停,KM2断开。如果用水量进一步减小,再接着停2号水泵,KM4断开。此时只有3号水泵在变频运行,如果用水量再次减小(比如说深夜无人或很少人用水的情况下)，输出频率减小,当变频器检测输出频率到参数11-08(休眠频率)所设定的值后经过参数11-07的延迟时间,开始进入休眠状态。为了防止在短时间内水泵时起时停的“振荡”现象,需要设置一个确认时间T,如果低于下限频率的时间小于T,变频器可以不必理会；只有当超过下限频率的时间较长,大于确认时间T的时候,变频泵才会休眠。这也就是参数11-07延迟时间的意义。

当夜间过去后,白天到来用水量开始增大,此时间变频器从休眠状态唤醒(3号泵开始唤醒,唤醒频率11-09),当用水量继续增大,3号泵切为工频,1号泵切为变频,用水量再加大,2号泵切为变频,3号泵切为工频。以下不再详述。整个反复循环的过程可以参见(表1)。我们看到参数11-02最大设定值为4,也就是说最多可以带四台水泵,4台水泵的循环过程也用表列了出来,可以参见(表2)。

3 多泵变频供水的电机切换

3.1 大电流冲击问题

变频泵循环运行方式优点很多,但是实现起来却较复杂,关键问题是变频器输出切换问题。在非同步控制下,即变频器的频率和相位与共频电源的频率和相位不一致时,将水泵电动机从变频器供电切换到工频电网供电,将可能遇到很大的电流冲击。

如图2所示,以第1台电机为例在KM1断开以后,定子绕组是开路的,不可能有励磁电流。而转子绕组是自成回路的,其电流有一个逐渐衰减的过程,它将产生一个逐渐衰减的直流磁场,而定子三相绕组将和此旋转的直流磁场相互切割,从而产生出相应的感应电动势,即电动机在切断电源以后,存在着一个处于非同步发电状态的电磁过渡过程。非同步发电状态不同于电动机的再生发电状态,电动机的再生发电状态是指定子绕组必须和电源相接,以得到励磁电流。而此处所述情况是电机已经脱离电源。

一般来说我们在工程实践应用中,总结出来的经验是在水泵脱离变频器后,等待一段时间(参数11-04),待电动机的反电动势降下来以后再接到工频电源。如果不等待切换,即KM2在闭合的瞬间,即在电动机的反电动势比较高时切换,会发生两种情况,①电源电压恰好与电动机定子绕组的电动势同相(因为转子的转速在不断下降,所以反电动势的周期略大于工频电压的周期),此时切换无附加的冲击电流。②若电动机的反电动势与工频电压的相位差正好为180度,则情况最糟糕,一般的异步电动机将流过额定电流10倍左右的电流,对供电电网和电动机会产生过大的电流冲击。

3.2 问题对策

针对这种情况可以采用监频监相控制器,用来监视切换时变频器输出的频率和相位,当其于工频电源的频率和相位一致时,再完成水泵由变频器到电源的切换。使切换后电流大致等于电动机的额定电流,基本实现对生产和电网无任何影响的无扰动切换。目前多数变频器循环运行的供水方式多采用延长切换时间的方法,来避开相位不一致造成的电势叠加。这也就是参数11-04的意义。

4 结束语

随着变频供水技术的普及应用，人们对于工变频电机切换电流冲击的认识愈加深入。现在已经可以轻松的选购到供水工程专用变频器。专用变频器针对多泵供水行业的一系列特殊问题设计提供相应得解决方案，除了可以解决电流冲击问题，甚至可以解决水泵等寿命均衡负荷分配运行的智能化问题。自动化变频恒压供水工程师应该在工程设计中充分发挥专业变频器的功能，为用户提供即节能又可靠稳定运行的项目设计。