变频调速 教学课件 ppt 作者 陈立香主编 1_第六章　变频器在恒压供水系统中的应用

陈立香 主编,变频调速,本章应知,本章应会,1.了解水泵供水系统的主要参数及其特性，理解供水系统的节能原理。 2.了解变频调速恒压供水系统的组成。,1.掌握变频调速PID闭环运行在恒压供水系统中的应用。 2.熟悉变频调速恒压供水系统的改造、调试方法。,第六章 变频器在恒压供水系统中的应用,第一节 概 述,一、水泵供水的基本模型与主要参数 1.基本模型 如图61所示是一个生活小区供水系统的基本模型，水泵将水池中的水抽出并上扬至所需高度，以便向生活小区供水。,图6-1 水泵供水的基本模型 a)全扬程的概念 b)基本模型,2.供水系统的主要参数 (1)流量 流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，常用的流量是体积流量，以字母Q表示，其单位是m3/h。 (2)扬程 是指单位质量的液体通过泵后所获得的能量，通常称为扬程。 (3)全扬程 也叫总扬程，是表征水泵泵水能力的物理量，包括把水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，符号是HT。,第一节 概 述,(4)实际扬程 即通过水泵实际提高水位所需的能量，符号是HA。 (5)损失扬程 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程，符号是HL。 HT=HA+HL（61） (6)管阻 表示管道系统(包括水管、阀门等)对水流阻力的物理量，符号是P。 二、供水系统的特性与工作点 1.供水系统的特性 (1)扬程特性 即水泵的特性。,第一节 概 述,(2)管阻(路)特性 是反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需的能量。 从图63中可以看出在供水流量较小（QG=Q1）时，所需扬程也较小（HT=HT1）如B1点；反之，在供水流量较大（QG=Q2）时，所需扬程也较大（HT=HT2）如B2点。,图6-2 扬程特性,第一节 概 述,图6-3 管阻特性,第一节 概 述,2.供水系统的工作点,图6-4 供水系统的工作点,第一节 概 述,(1)工作点 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图6-4中的A点所示。 (2)供水功率 PG=CPHTQ（62） 三、泵的特性分析与节能原理 1.调节流量的方法 在供水系统中，最根本的控制对象是流量，因此要研究节能问题必须从考虑如何调节流量入手。,第一节 概 述,图6-5 调节流量的方法与比较,第一节 概 述,(1)阀门控制法 即通过关小、开大阀门来调节流量，而转速则保持不变，通常为额定转速。 (2)转速控制法 即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变(通常为最大开度)。 2.转速控制法的节能效果,第一节 概 述,(1)供水功率的比较 比较上述两种调节流量的方法，可以看出，在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需供水功率比阀门控制方式小很多，即图6-5中CBFH阴影部分的面积，两者之差P便是转速控制方式节约供水的功率，它与CBFH的面积成正比，这也是采用调速供水系统具有节能效果的最基本方面。 (2)从水泵的工作效率看节能 1)工作效率的定义。 P=PG/PP（63）,第一节 概 述,2)水泵工作效率的近似计算公式。 *=C1（Q*/N*）C2（Q*/N*）2（64） 3)不同控制方式下的工作效率。 (3)从电动机的效率看节能 水泵厂在生产水泵时，由于对用户的管路情况无法预测，而且管阻特性难以准确计算；同时，还必须对用户的需求留有足够余量。 采用了转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速，由于电动机在低频运行时变频器的输出电压也将下降，从而提高电动机的工作效率，这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。,第一节 概 述,图6-6 水泵的效率曲线,第一节 概 述,图6-7 水泵的轴功率曲线,第一节 概 述,四、二次方律负载实现变频调速后是如何得到最佳节能效果的 如图68a所示，曲线0是二次方律负载的机械特性。,图6-8 电动机的有效转矩与低频U/f曲线 a)有效转矩与二次方律负载 b)低频U/f曲线,第一节 概 述,1)U/f线选用曲线01。 2)适当加大起动频率，以避免死点区域。 应该注意的是，几乎所有变频器在出厂时都将U/f线设定在具有一定补偿量的情况下（U/f1）。,第一节 概 述,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,一、变频调速恒压供水系统的组成 1.恒压供水的控制要求 对供水系统进行控制，实质就是为了满足用户对流量的需求，所以流量是供水系统的基本控制对象，而流量的大小取决于水泵的扬程。 1)如供水能力QG用水需求QU，则压力上升(p)。 2)如供水能力QG用水需求QU，则压力下降(p)。 3)如供水能力QG=用水需求QU，则压力不变(p=常数)。,可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力上的变化，从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。 2.恒压供水系统的构成和工作原理,图6-9 恒压供水系统框图,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,(1)恒压供水系统框图 恒压供水系统框图如图6-9所示。 由图69可知，变频器有两个控制信号。 1)目标信号XT：即给定端2上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示，也可以用键盘直接给定。 2)反馈信号XF：即反馈信号端4上得到的信号，是压力传感器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。 (2)某生活小区恒压供水控制系统 图6-10是某生活小区住宅楼宇自动恒压供水泵站的控制系统电路。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,1)主电路： 该装置主电路采用变频常用泵和工频备用泵自动与手动双重运行模式。,图6-10 某生活小区恒压供水控制系统电路,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,2)控制系统电路：该系统主要由三菱FRA540变频器和外围控制电路组成。 该控制电路可以实现变频、工频、一用一备自动与手动转换控制运行，通过内置的频率信号变化范围，设定开关量输出，控制主泵电动机和备用泵电动机之间的相互切换。 压力给定和压力流量反馈通过电位器RP1和R1实现。 利用变频器内PID控制，比较给定压力信号和反馈信号的大小，输出相应的05V电压控制信号，自动控制水泵进行调速运行。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现, 控制系统的各控制参数可通过变频器面板进行显示。 具有短路、过电流、过载等保护功能。 (3)PID调节功能 系统之所以能实现恒压供水，主要就是利用变频器的PID调节功能。,图6-11 变频器的PID控制,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,表6-1 各控制量间的关系,二、变频器的选型及功能预置 1.变频器的选型与控制方式 (1)变频器的选型 现在大部分变频器制造厂都专门设计生产适用于“风机、水泵专用型”的变频器，无特殊情况下可直接选用。 1)过载能力较低。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,2)具有闭环控制和PID调节功能。 3)具有“1控X”的切换功能。 (2) 控制方式与U/f设定 对于二次方律负载，以选用U/f控制方式为宜。 2.变频器的基本功能预置 (1) 最高频率 水泵属二次方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。 (2) 上限频率 一般上限频率也可以等于额定频率，但最好预置得低一点为宜，主要有如下考虑。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,1)由于变频器内部往往具有转差初始补偿功能，因此，同是在50Hz的情况下，水泵在变频运行时，实际转速高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电动机的负载。 2)变频调速系统如在50Hz运行时，还不如直接在工频下运行为好，这样可减少变频器本身的损耗。 所以，将上限频率预置为49Hz或495Hz是恰当的。 (3) 下限频率 在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。 (4) 起动频率 起动前，水泵叶轮全部在水中，起动时，存在着一定的阻力。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,(5) 升速与降速时间 对于水泵，它不属于频繁地起动与制动的负载，其升、降速时间的长短并不涉及生产效率问题。 (6) 暂停功能 在日常供水系统中，夜间的用水量常常是很少的，即使水泵在下限频率下运行，供水压力仍能超过目标值。,图6-12 暂停运行功能,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,1)暂停运行(睡眠)功能：在恒压供水系统中，当由于用水流量太小而使压力超过其预置值(如图6-12中的pSL所示)时，便开始计时。 2)暂停中止(唤醒)功能：当由于用水流量增大，使供水压力低于压力下限值pWU时，暂停中止(唤醒)，重又进入正常的恒压供水运行状态。 三、变频器的PID调节功能的实现 PID控制属于闭环控制，是使控制系统的被控量在各种情况下，都能迅速而准确地无限接近控制目标的一种手段。 1.变频器的PID接线,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,各种系列的变频器都有标准接线端子，只不过标识的符号各厂家有所区别，它们的这些接线端子、功能和使用要求相差不大。 (1)PID控制基本原理接线 PID控制基本原理接线如图6-13所示。,图6-13 PID控制基本原理接线,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,(2) 控制系统的接线 1)反馈信号的接入。 2)目标信号的接入。 2.PID控制的工作过程 PID控制的基本工作过程流程如图614所示。,图6-14 PID控制的基本工作过程流程,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,图6-15 PID控制过程中各参数的功能,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,3.变频器中PID的调节功能设定和调整 (1)PID输入与输出(I/O)端子功能 PID输入与输出(I/O)端子功能见表6-2。,表6-2 PID输入与输出(I/O)端子功能,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,表6-3 设定信号与反馈信号的实现,1)输入信号。 PID控制选择端X14。X14的闭合、断开由参数Pr.180Pr.186设定。当X14信号接通时，开始PID控制；反之信号关断时，变频器的运行不含PID的作用。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现, 设定值输入端子25。由变频器端子25输入PID设定值(目标值)。Pr.73设定为5，且AU端子开通，运行有效；否则外部输入无效。0V电压对应0，5V电压对应于100变化量。 偏差信号输入端子15。偏差信号由端子15输入。当输入外部计算偏差信号时,参数Pr.128设定为“10”或“11”。0V电压对应0，5V电压对应于100变化量。 反馈量输入端子45。从传感器来的420mA 的反馈量由端子45输入。4mA对应于0，20mA对应于100变化量。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现,注意：反馈量选择电流信号控制时，选择电流输入端子AU一定要接通，否则无效。 2)输出信号。 上限输出端FUP：输出指示反馈量信号已超过上限值。 下限输出端FDN：输出指示反馈量信号已超过下限值。 正(反)转方向信号输出端子RL：按照参数Pr.191Pr.195的要求设定。参数单元显示“Hi”表示正转(FWD)或显示“Low”表示反转(REV)或停止(STOP)。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现, 输出公共端子SE是FUP、FDN和RL的公共端子。 (2)端子功能设定 1)设定PID控制用的输入端子功能。,表6-4 参数功能的选定(一),2)设定PID控制用的输出端子功能。,表6-5 参数功能的选定(二),(3)PID参数功能的设定 1)PID参数的功能。,第二节 变频调速恒压供水系统的实现, Pr.128。 PID动作选择，该功能设定范围为034种控制方式，具体说明如下。 参数值为10：对于加热或压力等控制，PID为负作用。 Pr.129。P增益，该功能设定范围分为两种控制。一种是无比例控制，参数值为9999；另一种是有比例控制，参数设置范围为0.110。 P（增益）是决定P动作对偏差响应程度的参数，增益取大时响应快，增益取小时响应滞后，但过大将