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摘要:基于按里面分析,阐述变频器技术及其优点,供水泵组变频器PID控制方式,改造后系统的运行效果,探讨变频器技术的启动特性、保护功能、节能性能。
关键词:变频器,PID控制,启动特性
供水泵站是公司供水系统的水源站,建有2座3000储水池、1座生产泵房,工程完工后储水量为6000
,在外部水源断水的情况下,能连续正常供水24h。外部水源来水直接进入泵站储水池,经过泵站生产泵加压后打入公司水系统综合管网,供公司各工序用户用水。整个供水管线长、覆盖面大、用户多,是公司正常生产的血脉。
1研究背景
改造前,为满足生产需要,通常保持一台设备满负荷持续运转,由人工手动控制启停和调整出水压力。系统用户使用量大时,系统压力下降,如果不能及时调整恢复系统压力,就造成用户用水受到影响。当系统用户用水量少时,系统压力会突然升高,如果不能及时发现,做出降压调整,就会使管网处于高压状态下运行,造既浪费电能还威胁管网安全。正常情况下,系统管网保持0.4Mpa就可满足需求,由于用户太多,用水量随时间变化,供给压力波动较大,峰值波动较大,最小压力约为0.1 MPA,有些末端用户可能面临断水的风险,威胁到生产的安全运行。为确保各用户用水需求,整个供水管网只能被迫提压运行,系统压力提高至0.5MPa左右。因压力高,多次出现管道破裂,既浪费了水资源又对生产造成了威胁,也加大了设备维护管理难度和成本。
其控制方式存在以下弊端:①水泵组原控制方式采用接触器直接启动的方式,启动电流为额定电流的5~7倍。一方面电网电压下降,威胁电网中其他设备的安全运行。另一方面,大电流容易使电机绕组过热,加速绝缘老化,缩短电机使用寿命。②泵组启动瞬间,产生巨大的机械冲击,会加速机械传动部件的磨损,特别是对机械密封的损伤非常大。③传统控制方式机组基本在定频、定工况下运行,不能根据实际情况实现自动调节,一般定频高负荷下运行,存在电能浪费现象。
2变频器选择
变频器是一种把工频电源(50Hz或60Hz)变换成所要求频率的交流电源,来实现电机的变速、调速的设备。变频调速技术在近年来有着突飞猛进的发展,变频器在节约电能的同时可以减少排放、降低能耗,且高效率、反应速度快和高灵敏度等特点,是目前运用最为广泛的交流电动机变频系统调速方式,早起采用电压源型变频器,但受到灵敏度、使用效率等限制,相继研发出:交-交变频调速,交-直-交变频调速,同步电动机自控式变频调速,正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速,矢量控制变频调速等。变频器主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分以及有关的辅助电路组成。这四部分相互依存共同作用,实现交流驱动的高精度、高灵敏度、低转矩脉动、低噪音、无传感器等性能指标。通过各项指标对比,变频调速器对多电机控制采用“同步电动机自控式变频调速”方法,它具有调速范围广、平滑性较高,机械性能稳定等优点,可以高效地实现恒转矩或恒功率调速。在变频器选择时应特别注意容量参数、电动机的额定电流、拖动电机数量容量等参数,其中变频器容量的选择尤为重要,在选择时应注意①并联追加投入启动,②大过载容量确定,③轻载电动机额定功率计算等。
3改造后供水泵组变频器PID控制方式
通过对供水泵站生产供水泵组控制方式进行改造,通过变频器PID闭环控制,启动生产泵机组变频器压力,实现恒压供水。采用富士公司的FRN型变频器实现水系统的手动以及自动控制。手动时,变频器通过输入命令信号控制,输出一定频率信号,控制泵速;自动情况下,变频器PID功能被激活,变频器按照给定的压力值控制泵组的正常运行。管网设置有压力变送器,运行工作压力信号(4~20mA)通常输入变频器。变频器将压力信号与变频器设置的工作压力值进行比较,以产生差值A。通过这个差值变频器调整输出的频率,达到变频调速的效果,使供水母管压力能够保持稳定。图1为系统工作原理框图。
假设系统网络压力为P,压力反馈信号为Pf,变换器的定压力(目标值)为PS,那么变频器设定值与管网压力反馈值之差就是变频器的PID调节量,设为A。分两种运行情况进行分析:①恒压运行情况。当供水管网用户用水量恒定无变化时,管网水压P稳定而无变化,反馈信号Pf与目标值Ps相等,PID调节量A为零,变频器输出保持不变,电动机在恒定频率下匀速运行。②压力变化运行情况。当管网用户用水量增加时,降低管网压力P,反馈信号Pf同步减小,Pf<Ps;变频器PID产生正调节(A值为+),变频器输出的频率增大,电机频率增大,泵输出增大,系统压力逐渐增大,当压力P回到目标值时,PID控制自动降为零,变频器输出保持不变,电机转速保持不变,系统进入新的平衡状态;管网用水量减小,管网压力P增大,反馈信号Pf增大,Pf>Ps;变频器PID产生负调节(值为-),变频器输出频率降低,电机转速降低,泵输出降低,当压力P返回目标值时,PID控制自动减小到零,变频器输出保持不变,电机转速保持不变,系统进入新的平衡状态。
4变频改造后系统运行效果
把水管网压力取样信号直接引入变频器,将变频器设为PID闭环控制,设置系统压力目标值为0.4MPa。变频系统根据外来压力信号大小,直接调节变频器的输出,将机组控制在恒定运行状态下。通过改造后,实现了恒压供水,各方面效果相当明显。①本次改造投资小、见效大,对原系统没有做大的改动,只增加一台变频器。通过改造,设备的启动电流降低,减小了对电网的影响,系统的供电质量得到了提高。实现变频启动和降速运行,减小设备机械冲击和摩擦,泵组机械寿命延长,节约了维修成本。②实现恒压供水,减少管网压力波动,使管网稳定在一个安全的运行压力环境下,既满足了用户的持续用水需求,又实现了管网的降压运行(由原来的0.5MPa下降至0.4MPa),保证了管网的运行安全。③供水系统实现恒压自动调节,设备开启后,系统根据管网总管供水压力自动实时调节,完全满足用户供水需要,正常运行中,只需要定时对泵组及管网运行情况进行点巡检和正常维护即可,不再需要专门设置专人监控和调整泵站的运行情况,大大降低了操作人员的劳动强度。④节能效果明显,改造前为满足用户需要,防止水压突然降低,补压不及时造成用户供水中断,系统压力一直维持在高位运行,泵组基本处于满负荷状态。改造后,系统降压运行,泵组用电功率由原来的132kW下降到82kW,年节约电能40多万kWh;系统压力降低,整个供水管网的漏水量减少,减少了客户端的浪费,节约了水资源。
结语:
分析表明,在现代工业控制系统中变频器已经广泛应用,特别是在风机、水泵系统控制中得到了广泛的应用,实现了设备降压启动、变频调速、恒压供水等,节约了能源,延长了设备寿命,简化了操作和控制流程,提高了整个工业领域的设备控制水平。
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