丁赛君 陈佳烽 王杰 汤雪峰 傅海荣 黄凤华
浙江省绍兴市越城区绍兴市清能环保有限公司 浙江省绍兴市 312000
[摘要] 变频调速技术能够满足节能和改进工艺控制的需要，既可以缓解能源紧张、减少温室效应，也可以提升产品质量、推动工业技术进步。变频调速恒压供水控制系统，结合了变频技术和自动化技术，是一种具有变频调速和自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。
为了解决高水塔和直接水泵的供水方式导致的质量差和电能浪费的问题，本文引入了PID控制技术的恒压供水系统，采用PID控制技术和变频调速器作为控制系统核心。系统运行时，管道的水压通过压力变送器从端子输入到控制器中。将测得的压力值与其设定值进行比较，系统通过PID计算的输出信号来控制变频器的工作频率，以控制水泵的转速并调节管道的水压。本文设计的供水系统水压实时控制性能良好。硬件模块运行稳定可靠，控制器正确有效，可以保证水压更好的稳定性。
除此之外，本文是以变频器恒压供水系统为应用研究对象，从实用性角度重点阐述了变频调速技术的原理和应用，详细介绍了变频器的构成分类、控制策略。
[关键词] 变频器 PID 恒压供水
一 绪论
（一）研究背景及意义
随着我国经济和社会的高速进步,能源短缺的问题日益明显,人们在对供给水质量及其可靠性的更高要求。因此,利用先进的自动化工程管理技术手段来研究设计出具有较高节能、更加可靠的恒压供水系统已经逐渐成为了必然。由于大多数用户在过去对于供水的要求通常并不稳定,因此在变频器外部需要使用一种闭环式的调节器以保证其恒定水压,并并且通常在过去使用潜水泵和水塔来实现。但是,供水管道系统本身就是一个运行惯性很强的、且其特殊的滞后式供水系统,用户对于供水的需要具有很强的随机性,可能会直接导致管道上的供应水压而不改变规律,因此很难以精确数学方法描述。模型。因此,通过对传统潜水泵的控制难以获得令人感到满意的控制效果。
近年来,许多科学研究所的工作人员已经加入了各种模糊控制解决方案,并逐渐取得了一些能够令人对此感到非常满意的研究成果。李忠[1]等负责人通过研究成功设计了一种由PID供水控制的模糊模式供水系统控制参数系统,可以有效率地克服目前传统的在PID供水控制中难以实时改变控制参数的复杂问题。赵宝勇[2]等人研制了一种基于超微单片机的一种带有自动温度调节参数因子的模糊函数PID自动控制器,在控制各种供水系统时,对具有非线性和滞后的工作这方面对它起到了重要指导作用,也为我们有效解决了许多无法正确调节系统参数的供水问题。在采用这种传统控制方法进行控制中,李新春[3]指导研究人员设计了一种新型恒压恒流供水系统控制器,并对其功能进行了系统应用模糊自动调整定义。乔维德[4]将运动神经网络与模糊电子逻辑的技术紧密结合,提出了一种完全具备自动相适应闭环控制功能的控制系统,具备强的鲁棒性和可靠度。王才霞[5]设计了一个基于模糊PID的供水系统,用来控制三个泵,这样就大大降低了设计和运行的成本。在上述方案中,大多数方案都是基于PID控制的,它的优势是频率波动较平稳,管道中水压稳定。在对供水控制系统的工作特点和技术要求进行系统分析之后,我们采用了PID控制的方法,建立了基于PID控制和变频器的恒压供水系统。
我们运用PID控制理论,使压力传感器信号从输出中得到输入和控制变量,并根据PID控制器进行控制。在实时控制的过程中,管道水压可以通过压力变送器将端子的输入传递给控制器。将测得的压力值与其设置的压力值进行了比较,系统可以利用 PID所计算出的输入和电流信号,用于控制一个变频器在各种工作时间的频率,以便于控制一个水泵的工作转速并适当地调节一个管道的水压。最后,通过根据准确的输入信号控制电动机频率,系统实现对恒定水压进行模糊逻辑控制的整体操作。经过大量的测试,我们验证了本文所要求的恒压供水系统必须具备良好的实时监视和控制功能,其中软硬件模块的工作平衡稳定可靠。
（二）变频调速技术的介绍
变频器主要是把一个工频电源(50hz 或60hz )转换成不同频率的交流电源,以便于实现改变一台电动机转速而正常运行的一种电气传动控制装置。变频器主要的电路结构通常都是由直流高压逆变整流中间控制电路、直流中间稳压控制电路、逆变整流控制电路和直流中间控制电路等组成部分共同组合而成[6~8]。通用变频器内部结构原理图如图1-1所示。
变频器的接口控制电路主要包括有一个主控制接口电路、运算接口电路、检查接口电路、驱动接口电路、外部软件接口控制电路和安全保护接口电路等,这些都可以是驱动变频器的一个重要核心部件。控制电路还包括可以通过a的a/d和b的d/a参数转换控制电路等,对外部用户接口信号进行实时接收或者向外部用户主机发送各种不同形式的控制信号和工作提示,并及时给出控制系统内部的各种工作控制状况,以便于判断使得整台变频器系统具有良好的内部工作控制条件,能够同外部设备进行相互配合,进行各类型和高性能的自动控制[9~11]。
通用变频器主回路包括输入端子为R、S、T，接地端子PE，输出端子为U、V、W,制动单元接线端子P（+）与N（-）。控制回路输入端口有正转端子FR、反转端子RR、多段速2DF与3DF、制动端子JOG、辅助加速端子AC1、辅助减速端子DC2、紧急停止端子ES、空转制动端子MBS、报警解除端子RST，公共端口COM。控制回路输出端口有报警信号接点输出FA、FB、FC,运行中输出DRY、频率到达输出URF。模拟量端口DC0～10V或DC4～20mA[12~14]。
变频器大致可分类为如下几类：
（1）按频率变换模式分为
交-交变频器（又称为直接变频装置）把恒压恒频的交流电源变换成频率和电压连续可调的交流电源。输出频率范围较窄，一般为工频的50%以下，主要用于容量较大的低速拖动系统中。交-交变频器的结构如图1-2所示。
交-直-交变频器 先将频率和电压都固定的交流电整流成直流电，再将直流电逆变成频率和电压连续可调的交流电。控制环节较为容易，频率调节范围宽，是目前普及应用最广泛的一种变频器。交-直-交变频器的结构如图1-3所示。
（2）按变频器的使用分为通用变频器和专用变频器。
通用变频器的特点与普通异步电动机配套使用，通用变频器向两个方向发展，一是经济简易型通用变频器，二是高性能多功能的通用变频器。
专用变频器根据具体的负载特性与应用场合研制出的具有针对性的变频器，满足对应使用领域的特殊需要[15~16]。
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（三）、通过变频器实现调速现状
自从1978年我国现代机械工业化技术进程正式问世以来,随着当前我国工业现代机械工业化的快速发展和工业自动化工程技术水平的不断提高,变频动态调速控制系统的实际应用越来越广泛,变频动态调速从基本功能和实际用途上分析总体来说我们可以通过概括的和归纳的分为两个基本功能方面,一个部分就是要求工艺性的调速,另一个部分就是要求节能性的变频调速。工艺性的变频调速应用场合主要设备包括大型轧钢机、造纸机、矿井用的卷扬机、机床、电梯等,这类设备工艺调速所需设备要求的就是变频调速,调速的技术指标高,即调速要求设备具有较宽的变频调速幅度区间,小的变频静差率,较快的变频动态调速反馈。目前此类直接调速多器作为一种采用直接变频器和直接矢量调速控制(vvvf)的直接调速控制方式,正在深入研究和重点发展的领域是直接转矩调速控制。节能和环保调速主要广泛地可以应用于各种小型风机、水泵等各种家用电机,市场上的节能应用需求额度很大,节能环保效果也非常客观,可以长期到达30%~40%。据来自国家有关事业单位的数据统计,目前在我国的所有工业动力电动机的约负荷中,交流电力发动机约负荷占90%左右,其中各种型号的交流电力发动机又约负荷占到了所有交流电力发动机的90%以上交流电机发动机的最低工作功耗电动负载主要可以分为泵型风机、泵类平方根转矩电动机等设备、恒转矩电动机等设备、以及泵类倒数固定转向扭矩类电动机等设备,尽管这几种不同类型的电动设备中所具有的的节能利用潜力各不相同,但一般均在20%以上。
变频自动调速的主要技术优点之一是那就是调速系统人员可以轻松地同时做到无级并准确地同时进行变频调速,调速时的区间抖动范围大,变频自动调速控制系统已经能够同时充分满足对变频调速的控制精度与调速节能两个面的需要,达到了一种高性能、低功耗动态、高品质的变频调速系统行业标准。而且正日益朝着机械智能化、自适应式化、自自动诊断等多个发展方向不断前进,给各类实际机械工程应用中的各种应用都为其带来了巨大的使用便利性和社会经济效益。
二 恒压供水的基本原理
（一） 供水系统主要参数
流量：管道内某一截面单位时间内流过的水体积。流量符号是，单位是。
扬程：单位重量的水泵通过水泵所获得的能量。扬程符号是，单位是。
全扬程：在流量接近于零管道内无任何损失的扬程，也称理想空载扬程，用表示。
静扬程：供水系统中实际的最低水位与最高水位之间的水位差。也称实际扬程，用表示。
损失扬程：供水时克服管路内的摩擦阻力损耗所需要的扬程，以及为了使水流具有一定的流速所需要的扬程，用表示。
供水扬程：实际供水量为时所需要的扬程，用表示。
管阻：管道和阀门对水流的阻碍，它与管道的长度、半径、管道各部分阻力的系数以及水流速度等因素有关，用表示。
（二）变频调速恒压供水控制系统的结构及工作原理
长期以来,大多数小定居点和农村定居点的供水都是通过使用水塔供水的,该塔装有潜水泵,在用户用水少时蓄水,到需要供水的时候在加压,稳定了用户的水量和水压。然而,它们还具有许多已知的基本缺陷。塔的使用不允许调节系统中的压力,该压力变化很大并且受塔的高度限制。塔所产生的水头平均为12至15水柱毫米(1.2-1.5 ATM),无法为多层建筑和现代家用热水器的正常运行提供足够的水压。同时,在大多数情况下,水塔的寿命已经到期,而用新的水塔代替它需要大量的材料成本。塔的高成本以及旧塔的拆卸,新塔的交付,安装和调试使得从经济上讲不可行更换塔。
使用水塔的另一种可替换的方法是将频率控制站用于潜水泵,其中潜水泵的电动机的旋转频率由变频器控制。变频电驱动的使用消除了塔的更换或改造成本,并且与带有水塔的供水系统相比,具有许多不可否认的技术优势,即:运营成本相对较低,资金、维修费用、维护和维护成本降低;通过自动控制潜水泵的性能来保持系统中压力的稳定性;节省多达30%至40%的能源和水;不论用水量如何,都包括冬季在内,提高了供水的功能可靠性;由于没有启动电流,潜水泵和供水网络的寿命增加了2-3倍,减少了其支撑轴承的负荷,排除了液压冲击,控制平稳,启动和停止平稳;泵单元的现代而可靠的保护系统。带变频器的供水系统的主要缺点是,在停机(触发保护功能)或变频器失效以及市电电压消失的情况下,可能会中断供水。
变频调速恒压供水系统中，系统工作时，先启动主泵，管网水压达到设定值，变频器的输出稳定在某数值上。而当用水量增加，水压降低时，压力变送器（或者远传压力表）将该信号实时送入比较器与给定压力H比较，其差值输入PID控制器，PID的输出量作为SF控制变频器的转差给定输入，从而控制电动机的转速上升，水压力P恢复到给定P，系统稳定运行。如果用水量增加很多，主泵达到最大流量仍不能使管网水压达到设定值，将自动启动备用泵；反之，当用水量减少时，可自动切断备用泵，变频器根据压力信号以双位控制方式达到恒压供水的目的，如图2-1所示。
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图2-1 变频器恒压供水系统
图示，系统会对给定的压力和管网上的实际压力进行定期的实时检测，并将其值输入到控制器中。从PID控制算法中获取输出控制信号，然后通过模拟量输出模块将其发送到转换器，以调节泵电机的电源电压和频率。 当水量少时，一台泵在变频器的控制下可以稳定运行。当水量太大以致全速运转的水泵不能保证管网压力稳定时，系统会同时检测下限压力信号和变频器上的高速信号。系统将第一个泵从变频状态转换为工作频率状态，以保持压力连续性，而由变频器启动的另一个泵开始运行，以通过增加供水网络的容量来保持稳定的压力。当耗水量减少时，表明变频器以最小速度工作的信号有效。此时如果仍存在压力上限信号，系统将停止以工作频率状态工作的第一台泵，以减少水量。
先进的自动化变频器恒压供水系统可确保为用户提供不间断的供水，提高能源效率以及功率模块到水泵的电动机的可靠性。 此外，对水泵的变频器进行连续监控可确保及时发现违规操作模式和紧急情况。
（三）驱动水泵的电动机功率确定
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参考以上计算的结果，选取主泵和备用泵的容量。
（四）恒压供水的节能原理
当改变电机转速以改变泵的转速时，其效率基本不变，但泵的流量、扬程、轴功率都随着转速的变化而变化，且有如下关系：
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三 变频器恒压供水应用
（一）水泵在给排水系统中的地位和作用
水泵排水系统中占据很重要的地位和作用，每天的用水量是多少都会经常改变,因此往往出现一次性的供水不足或者一次性的供水不及时。而用水与供水之间的不均衡集中地直接反映在供水的压力上,即由于用水量大而供给的水量少,则其压力较低;由于用水量小而供给水源多,则压力高。为了保持供水的压力恒定,可使其在供水与用水之间始终保持一种动态的平衡,从而改善了供水的效率。供水系统对某些行业或者特殊的用户来说都是非常重要的。例如在某些企业的生产作物使用过程中,若由于自来水因故出现压力过高或短期内停止供电,就有可能会直接影响到产品质量,严重的话就会导致产品报废或者设备破坏。又比如当发生了火灾,若由于供水电源压力过高或者无水电源供应而导致不能快速地灭火,就很有可能导致重大经济损失和重大人员伤亡。所以我们选择了恒压供水系统,它具有很强的经济性和社会意义。
（二）变频器容量的确定
根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，变频器的额定电流计算式为
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结 论
应用了变频器调速,可以极大地幅度提升对电动机转速的管理和控制精确,使得电动机处于在最加节能状态下才能正常运行。以水泵为例,根据流体力学的原理,轴向功率和转速三次方之间是成正比。但是当所要求的流量增加或减少,电动机的转速下降时,其中轴功率按照转速的3次方逐渐下降。因此,变频器调速的实际节能效益十分明显。变频器卓越的调速性能、显著的环保节能效果,改善了现有变频器设备的实际运行状态,提高了系统的安全、可靠性及对设备资源的利用率,延长了设备的使用寿命等诸多优点正在随着我们应用场景的发展而进一步地得到了充分体现。
相信在不久的将来会出现变频器与有源滤波器的结合体，输出波形更近似正弦波，调速精度更高，控制性能更完善。
参 考 文 献
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