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1、专题讲座：,山东大学控制科学与工程学院曾毅教授,变频调速控制系统在冶金行业中的应用,第 3(02)讲,33、在恒压供水方案选择上的节能分析,一、恒压供水的意义,用户用水的多少是经常变动的，因此，供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时，供水也多；用水少时，供水也少，从而提高了供水的质量。,一、恒压供水的意义,恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水时，可能影响产品质量，严重时使
2、产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。,一、恒压供水的意义,用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是：起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；,可以消除起动和停机时的水锤效应；在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减少了对环境的污染。,二、两种恒压供水主体方案的比较,通常，在同一路供水
3、系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量少时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就存在着所有的水泵配用一台变频器还是每台水泵配用一台变频器的问题，这两种方案哪一种更好呢？比较结果见表541，从比较结果可知，这两种方案都可采用，到底采用哪一种应视具体情况而定。,表541,恒压供水两种方案比较,二、两种恒压供水主体方案的比较,假设水泵电机消耗的功率为P，那么：,其中：P0 为电机空载损耗(KW)；P1 为电机输出功率(KW)。QM是水泵最大供水量(m3/小时);Q是水泵实际供水量(m3/小时)。已知每台水泵的QM=100 m3/小时，P0和P1 都分别相等。假设水厂仅有两台水泵
4、，如果用户用水量为140 m3/小时，那么两种方案所消耗的功率分别是：所有的水泵仅配一台变频器所消耗功率=P0+(100/100)3P1+P0+(40/100)3P1=2P0+1.064 P1每台水泵配一台变频器所消耗功率=P0+(70/100)3P1+P0+(70/100)3P1=2P0+0.686 P1,二、两种恒压供水主体方案的比较,综上所述得出如下结论：,当总的用水量超过一台水泵的100%供水量时，(所有的水泵仅配一台变频器所消耗功率)大于(每台水泵配一台变频器所消耗功率),三、用于恒值系统的控制方案,对于被控对象的数学模型比较复杂，生产工艺提出的恒定值的精确度又不高的变频调速控制系统
5、。如果采用 PID调节器方案进行调节变频器往往效果不理想，有时还不如开环控制的效果好。在这种情况下采用BANGBANG控制方案效果比较理想。对于被控对象的数学模型比较复杂，生产工艺提出的恒定值的精确度又很高的变频调速控制系统。如果采用大范围用BANGBANG控制，小范围用 PID调节器进行调节变频器的方法往往效果也不是那么理想。在这种情况下采用模糊控制方案效果比较理想。,四、恒压供水变频调速控制系统设计要点,1变频器的容量 一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动
6、机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水的供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的裕量。2电动机的热保护 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可能略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以，应采用热继电器来进行电动机的热保护。,四、恒压供水变频调速控制系统设计要点,3主要的功能预置（1）最高频率 应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。（2）升
7、、降速时间 在采用 PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由 PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有 PID调节功能时，只要在预置时设定 PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。,五、恒压供水变频调速控制系统应用举例之一,某供水系统由主供水回路、备用回路、2个清水池及泵房组成，其中泵房装有1#6#共6台150 kW泵机。另外还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。由于该供水网比较大，系统需要供水量少时开两台泵机向管网充压，供水量大时开六台泵机同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元
8、件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用C40P 参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。用通用变频器FRN160G7P4实现电动机的调速运行，如图541所示。另三台的泵机控制方式与图541相同。,五、恒压供水变频调速控制系统应用举例之一,（2）可编程序控制器：完成供水网的压力信号和操作控制信号的输入以及 PLC的控制输出。实现对两台变频器的调速控制。,图541,1系统主要特点 该恒压供水系统的各部分主要特点与功能：（1）操作台：实现系统操作控制及参数的设定与显示。,1系统主要特点,（3）变频器：具有手动和自动调速功能
9、。,（4）切换装置：由继电器、接触器，开关等组成，实现 1台变频器控制3台泵机的切换，以及在变频器故障时，旁路泵机到工频运行。该控制系统控制方案既不属于“所有的水泵仅配一台变频器”的方案又不属于“每台水泵配一台变频器”的方案，是一种混合型方案。,2系统的控制程序设计要点,电机在变频和工频时的旋转方向一定要相同电机当进行变频和工频之间的切换时一定要使起切换功能的接触器有足够的切换时间。水泵轮流切换运行，避免出现有长期没有使用的水泵现象。,六、恒压供水变频调速控制系统应用举例之二,某商务大楼高十四层，消防水泵控制系统是该大楼消防控制中心最基本、最关键的监控单元。大楼消防控制中心对消防水泵控制系统的
10、基本要求是：当无火警发生时，能自动维持消防供水管网内的压力恒定，能定期对各水泵进行自动巡检，能诊断发生故障的部件及其原因并能将诊断信息传输给大楼消防控制中心；当火警发生时，能根据管网压力情况自动开启若干台水泵同时向管网充压，或者能由大楼消防控制中心直接启动各水泵，或者能在消防水泵机房由人工利用现场控制面板操作启动。因此要求消防水泵控制系统在控制上具有更高的智能化和可靠性。本文通过一实例详细介绍了利用PLC和变频器实现上述要求的控制方法。,系统结构简介,该消防水泵控制系统属于所有的水泵仅配一台变频器的控制方案，该控制系统主要由变频器、可编程序控制器、PID调节器、压力变送器和水泵机组等器件组成，
11、如图542所示。,系统结构简介,其中6#泵机是保压水泵，当无火警时，消防水管网内的压力应该不变，但是管网的滴漏现象不可避免，所以用一台功率比较小的泵机来维持无火警时管网压力的恒定；D信号是变频器和PLC同时发生故障的情况下，直接启动水泵的控制信号。,系统结构简介,可编程序控制器的主要功能是：在PID调节器的参与下，根据压力信号和操作控制信号的输入状态完成供水网的各电机的变频运行和变频与工频的切换。实现各水泵的定期巡检、系统送电自巡检及控制系统的故障自诊断。可编程序控制器的输入与输出端子接线情况如图543所示。,2系统调试时的注意事项,当变频器的频率达到50HZ时，如果需要向工频切换，切换时间最好选择在切换完成时，电机接在工频电网上的瞬间电流不大于电动机额定电流的200%。设定期巡检时变频器的最高工作频率为f*，各水泵能向管网供水的最小频率分别是：f1、f2、f3、f4、f5、和f6，那么f*应该满足：f*min f1，f2，f3，f4，f5，f6。,课间休息,
