关于变频器在恒压供水系统中加速异常的解决方法:恒压供水变频器接线图
时间：2019-04-02 03:11:59 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文主要介绍了变频调速技术在坦洲供水中的应用、变频器PID工艺调节器的控制原理以及利用西门子6SE70系列变频器内置的各种功能有效解决了加速时间异常的问题。 关键字：变频器；恒压供水；PID；加速时间；斜坡函数发生器
Abstract: this paper mainly introduces the technology of frequency conversion, states the application in water supply, frequency converter PID control principle and process of the regulator by Siemens 6 SE70 series inverter various function of built-in effectively solve the problem of the accelerating time anomalies.
Key word: inverter; Constant pressure water supply; PID; Acceleration time; Slope function generator
中图分类号：TN77文献标识码：A 文章编号：
一、前言
在供水系统中，恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时出厂水压力保持不变的供水方式。坦洲水司的恒压供水系统由上位计算机、可编程控制器（PLC）、水泵机组、变频器及压力变送器组成。其中变频器两台，清水泵五台，1#变频器拖动1#清水泵，5#变频器拖动5#清水泵，2#、3#、4#清水泵均为工频泵。供水系统根据用水量的变化，通过变频器调节水泵的转速，达到恒压供水的目的。采用变频调速既防止了能量空耗，又避免了电机起动时冲击电流对设备的影响。
二、恒压供水的工艺控制
根据异步电动机的转速公式n＝60f（1-s）/P，式中，n为水泵电机转速，f为电源频率，P为电机极数，s为电机转差率，由上式可知：在电机极数不变且转差率变化不大的情况下，电源频率f与转速n基本成正比变化。这样只要均匀地改变电机的供电频率f，就可以平滑地改变水泵电机的转速了。变频器就是一个能够改变输出电压频率的电源装置。在坦洲供水中，要求变频器的输出频率在0～50Hz之间可调就行了，本系统采用西门子6SE70系列变频器。
1、PID调节原理
在供水系统中，我们假定以出厂水压力表的安装位置作为分界点，表前流量称为供水流量，表后流量称为用水流量。变频器内部的PID工艺调节器的原理如图1所示。图中，K11为压力给定值，K13为压力反馈值，X为偏差信号，即X＝K11-K13，该信号经PID工艺调节器处理后将控制变频器的输出频率f(x)。
图1
当用水流量减少时，出厂水压力P↑→K13↑→X↓→f(X)↓→电动机转速n↓→出厂水压力回复到目标值（K11≈K13），从而达到平衡；反之当用水流量增加时，则P↓→K13↓→X↑→f(X)↑→n↑→K11≈K13，又达到新的平衡。因此，供水系统总是根据用户的用水情况不断地处于自动调整状态中。
上述过程存在着一个矛盾：一方面，我们要求出厂水压力应无限接近于目标压力，即要求X=(K11-K13)→0；另一方面，变频器的输出频率f(x)又是由偏差信号X来决定的。所以，如果把X直接作为给定信号，系统将无法工作。
1.1比例增益环节(P)
解决上述矛盾的方法是：将（K11-K13）进行放大后再作为频率给定信号，即X=Kp(K11-K13)，式中Kp为放大系数，即比例增益。
由于X是(K11-K13)成正比放大的结果，故称为比例放大环节。显然，Kp越大，(K11-K13)=X/Kp越小，K11越接近于K13。这里，K11只能是无限接近于K13，却不能等于K13，即K11和K13之间总会有一个差值，称为静差。显然，比例增益Kp越大，静差越小。
1.2积分环节（I）
为了减小系统静差，应尽量增大比例增益Kp，但由于系统有惯性，Kp过大容易引起被控量（压力）忽大忽小，形成振荡。为了减少振荡，需引入积分环节，使偏差信号X的变化与乘积Kp(K11-K13)对时间的积分成正比。这样尽管Kp(K11-K13)一下子变化了许多，但X只能在“积分时间”内逐渐地变化，从而减缓了X的变化速度，防止了振荡。只要偏差不消除，积分就不停止。
1.3微分环节(D)
但积分时间太长，又会发生当被控量（压力）急剧变化时难以迅速恢复的情况。这时可根据偏差信号的变化趋势，提前给出较大的调节动作，从而缩短调节时间，克服因积分时间过长而恢复滞后的缺点，即为微分环节。
在供水系统中，当对过渡过程时间的要求并不严格时，通常用PI调节。本系统中变频器只用PI调节。
2、变频恒压控制工作原理
在坦洲恒压供水系统，通过上位机设定给定压力后，PLC系统将给定压力转换成4－20mA的电流信号输入至变频器的模拟量输入端，压力变送器将出厂水压力转成4－20mA的模拟信号，该信号作为负反馈信号接入变频器的另一个模拟量输入端，形成闭环控制系统，变频器对这两个信号进行PID运算后，输出一个频率从而控制水泵转速，这样就能将出厂水压力控制在有效的范围内。闭环控制系统原理框图如图2所示：
图2
三、变频器加速异常的解决方法
1、问题的提出
水泵在起动和制动过程中因流量的急剧变化而引起水锤效应，如图3所示，水锤效应具有极大的破环性，压力过高容易引起供水管道爆管，压力过低，会导致某些偏远地区或者高区用水量不足，甚至没水用。采用变频恒压供水可以有效降低水锤效应。
图3
要有效降低水锤效应，变频器的加速时间必须设置在合理范围内，时间太短管网压力容易产生水锤效应，变频器甚至会出现过流报警，加速时间过长则造成供水压力不足，且水泵机组处于低效运行。在本系统中，根据多年的运行经验，我们把变频器的加速时间预置为20s（P462＝20）。但我们发现变频器每次起动后的加速时间是不固定的，有时加速时间长达10分钟或以上，值班人员难以控制出厂水水压，严重影响管网供水压力，同时给用户带来极大的不便。如图4所示，黑色曲线为5#变频器的频率曲线，由图中可以看出，变频器起动后，频率由0Hz上升至设定频率的时间约为9分钟。
图4
2、原因分析
为了缓和变频器的动态性能，变频器通常会引入斜坡函数发生器，使电机的加速或减速过程不那么剧烈，使电机的过渡过程平滑一些，避免装置对给定值的阶跃变化引起过度响应。利用西门子的BICO技术，将PID调节器的输出连接入斜坡函数发生器，再由斜坡函数发生器的输出控制变频器的输出频率，故变频器的加速时间主要由斜坡函数发生器的上升时间(P462)决定的，即PID调节器的输出影响变频器的加速时间。
通过软件DriveMonitor监测变频器起动过程相关参数的变化趋势，包括给定值(k11)、反馈值(k13)、转速(k20)、PID输出(k588)、斜坡函数发生器输出(k73),如图5所示，图中，浅蓝色曲线为k11，红色曲线为k13，橙色曲线为k20，绿色曲线为k588，蓝色曲线为k73。
