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1．引言
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無極調(diào)速的需要而誕生的。隨著電力電子器件和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得到諸多優(yōu)化模式，其中的鞍形PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美﹑日﹑德﹑英等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器已經(jīng)投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用。我國也在20世紀(jì)末，經(jīng)過不斷探索有了自己的國產(chǎn)變頻器。其中深圳普傳﹑深圳安邦信﹑山東惠豐﹑成都佳靈等是早一批的生產(chǎn)廠家。經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)完善，如今變頻器作為一種工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，而變頻器的功能已不僅僅是簡(jiǎn)單的調(diào)速、省電了，完善的功能不但簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，而且功能的實(shí)現(xiàn)更加方便，如變頻器內(nèi)置的PID控制功能在恒壓供水系統(tǒng)上的應(yīng)用就是其中典型一例。
2．系統(tǒng)組成
早期的恒壓供水系統(tǒng)一般是由PLC或單片機(jī)為主，加以復(fù)雜的控制設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)。而隨著變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展，功能的不斷完善，簡(jiǎn)單的恒壓供水系統(tǒng)不再依賴PLC或單片機(jī)控制系統(tǒng)。而僅僅依靠變頻器的內(nèi)置功能即可實(shí)現(xiàn)這一控制任務(wù)。利用變頻器的PID閉環(huán)控制功能，配以壓力傳感器作為反饋裝置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度控制。從而實(shí)現(xiàn)供水壓力的恒定。
變頻器我們選用安邦信公司生產(chǎn)的AMB-G7系列的通用型變頻器，該系列是適應(yīng)多種工況的高品質(zhì)、低噪聲、多功能通用變頻調(diào)速器。內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。壓力表我們選用YTZ-150電位器式遠(yuǎn)程壓力表，安裝在水泵的出水管上，該壓力表適用于一般壓力表適用的工作環(huán)境場(chǎng)所，既可直觀測(cè)出壓力值，又可以輸出相應(yīng)的電信號(hào)，輸出的電信號(hào)傳至遠(yuǎn)端的變頻器。壓力表有紅、黃、藍(lán)三根引出線。
壓力表電氣技術(shù)參數(shù)：
電阻滿量程：400Ω（藍(lán)、紅）
零壓力起始電阻值：≤ 20Ω （黃、紅）
滿量程壓力上限電阻值：≤ 360Ω（黃、紅）
接線端外加電壓：≤ 6V（藍(lán)、紅）
3．系統(tǒng)功能
以往的恒壓供水設(shè)備，往往采用帶有模入/模出的可編程控制器或PID調(diào)節(jié)器，PID算法編程難度大，設(shè)備成本高，調(diào)試?yán)щy。而采用帶有內(nèi)置PID控制功能的變頻器作為恒壓供水設(shè)備的主控設(shè)備，降低了設(shè)備成本，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，還可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。
4．系統(tǒng)調(diào)試
4.1 PID控制的原理及變頻器的有關(guān)參數(shù)
PID控制器的比例P、積分I、微分D三部分的作用分別為：
? 比例P控制：調(diào)節(jié)量按誤差比例輸出，純比例P控制時(shí)，誤差不會(huì) 為零。
? 積分I控制：調(diào)節(jié)量按誤差的積分輸出，誤差為零時(shí)，輸出恒定。
? 微分D控制：調(diào)節(jié)量按誤差的微分輸出，誤差突變時(shí)，能及時(shí)控制。
PID控制：組合三者的優(yōu)勢(shì)，獲得最佳的控制性能。
PID控制的功能參數(shù)
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功能代碼
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名稱
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單位
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設(shè)定范圍
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出廠值
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F80
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PID閉環(huán)模式
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0∽1
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0
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F81
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反饋顯示系數(shù)
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0.0∽40.0
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1.0
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F82
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反饋輸入通道選擇
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0∽1
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0
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F83
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反饋濾波時(shí)間常數(shù)
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SEC
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0.00∽60.00
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0.00
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F84
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PID數(shù)字式輸入給定值
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V
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0.00∽10.00
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0.00
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F85
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變送器模式
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0∽1
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0
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F86
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反饋偏置電壓
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V
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0.00∽10.00
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0.00
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F87
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積分作用范圍
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%
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0∽100
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0
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F88
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比例P增益
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0.00∽10.00
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0.00
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F89
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積分時(shí)間常數(shù)Ti
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SEC
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0.0∽360.0
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0.0
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F90
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微分時(shí)間常數(shù)Td
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SEC
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0.00∽10.00
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0.00
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? 當(dāng)變頻器需以PID閉環(huán)方式運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)80功能代碼參數(shù)應(yīng)設(shè)定為1，F(xiàn)80=1。
? F81功能代碼參數(shù)為反饋量的顯示系數(shù)，使得顯示值與實(shí)際物理量單位值一致。
? 功能代碼F82∽F86為PID反饋量處理，使得PID調(diào)節(jié)器的反饋在0.00∽10.00之間。
? F87功能代碼參數(shù)為PID控制的積分作用范圍，誤差超過此范圍，積分作用無效。
? 功能代碼F88∽F90為PID控制的調(diào)節(jié)參數(shù)，適當(dāng)修改這些參數(shù)，可使閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能最佳。
4.2 PID的調(diào)試
開環(huán)調(diào)試：
檢查接線無誤后，合上空氣開關(guān)和漏電開關(guān)，變頻器上電，數(shù)碼管顯示0.0，按JOG鍵，檢查水泵的轉(zhuǎn)向，若反向，改變電機(jī)相序。
按運(yùn)行鍵RUN，運(yùn)行指示燈亮（綠色），順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)鍵盤旋鈕，輸出頻率上升，觀察壓力表的壓力指示，同時(shí)用萬用表直流電壓檔測(cè)量變頻器端子VF和GND之間電壓值，隨著變頻器輸出頻率升高，壓力增加，VF和GND之間的反饋電壓上升，記錄下將要設(shè)定的恒定壓力（比如5公斤）對(duì)應(yīng)的反饋電壓值（比如3.1V）。按停車鍵STOP，變頻器減速停車。
閉環(huán)變頻恒壓運(yùn)行：
合上起停開關(guān)，變頻器運(yùn)行指示燈亮，輸出頻率從0.0Hz開始，根據(jù)用水情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證出水口的壓力恒定為5KG。修改F84的參數(shù)設(shè)定值，可以相應(yīng)增加或降低出水口的壓力。
由壓力傳感器反饋的水壓信號(hào)4—200mA或0—10V直接進(jìn)入變頻器的A/D口，設(shè)置給定壓力值，PID參數(shù)值，使其工作在最佳狀態(tài)。由于水泵及供水管網(wǎng)在PID調(diào)節(jié)過程中常常出現(xiàn)變頻器報(bào)警或跳閘，這需要調(diào)節(jié)變頻器中的P和I參數(shù)，但如I參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)會(huì)造成PID控制波動(dòng)過大，無法達(dá)到控制要求。在調(diào)節(jié)過程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況逐步增加I參數(shù)值，從而達(dá)到軟化PID，減小變頻器閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)的響應(yīng)電流，排除變頻器報(bào)警。
變頻器原理接線圖
5 恒壓供水系統(tǒng)注意事項(xiàng)
5.1電氣系統(tǒng)
在主回路系統(tǒng)中，分為由變頻器控制的水泵電機(jī)M1（簡(jiǎn)稱變頻泵）加上常用的一般控制的水泵電機(jī)M2（簡(jiǎn)稱工頻泵），使用工頻泵的臺(tái)數(shù)多少可由供水量大小而定。工頻泵主要是為了防止變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的一種臨時(shí)解決方案。
（1） 使用前要核準(zhǔn)變頻器的額定電壓與交流電源電壓是否一致。
（2） 因變頻器制造廠家不同，在控制柜變頻器主回路接線的設(shè)計(jì)上存在一定的差別。一般要求在變頻器的保護(hù)功能起作用或發(fā)生其它故障時(shí)，為了切斷電源以防止故障或事故的擴(kuò)大，通常三相交流電源L1、L2、L3經(jīng)高頻漏電開關(guān)QF、接觸器KM接至輸入端R、S、T。且變頻器的故障輸出端子串接于接觸器的控制回路。但是，不允許頻繁的“開”和“關(guān)”QF或KM來進(jìn)行“運(yùn)行”和“停止”的切換。
（3） 變頻器輸出端U、V、W與電機(jī)之間勿需加裝交流接觸器，否則在變頻器的運(yùn)行過程中，若接觸器進(jìn)行ON、OFF時(shí)會(huì)產(chǎn)生大電流和引起過電壓。易損壞變頻器內(nèi)的逆變橋功率模塊。此外，一般不必另加裝熱繼電器作過載保護(hù)（一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)時(shí)除外）。
（4） 變頻器額定容量與電動(dòng)機(jī)額定功率的比數(shù)應(yīng)是3：2為宜。小了影響有效力矩的輸出，大了高次諧波含量加大。
（5） 變頻器控制柜應(yīng)安裝在干燥、通風(fēng)良好的場(chǎng)地使用，并且要避免陽光直射。
（6） 當(dāng)氣溫達(dá)到40ºC以上時(shí)，變頻器控制柜內(nèi)要正確安裝換氣扇。排氣扇應(yīng)采用下進(jìn)、上出的安裝方式，保證變頻控制柜內(nèi)的正壓通風(fēng)。
（7） 當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，為了散熱的需要，必要時(shí)要采取通風(fēng)冷卻措施。
（8） 用絕緣電阻表（兆歐表）進(jìn)行測(cè)量電機(jī)絕緣電阻時(shí)，要將變頻器接線端子U、V、W與電機(jī)接線斷開，切勿將測(cè)試電壓加到變頻器上，因電壓過高容易造成變頻器損壞。
（9） 在變頻器輸出頻率低時(shí)，輸出電壓也低，電壓降比例也大。因此，電纜的截面積要比沒有用變頻器作驅(qū)動(dòng)電機(jī)用的電纜截面積大一級(jí)。電纜長(zhǎng)度力度力求越短越好，不允許與控制線混放在一起敷設(shè)（使用屏蔽線除外）。
（10） 為了防止觸電和有效地抑制射頻干擾，變頻器外殼應(yīng)良好地接地。
5.2 水泵系統(tǒng)
（1） 因?yàn)樗玫呐潘畨毫εc轉(zhuǎn)數(shù)二次成正比，對(duì)水泵實(shí)施轉(zhuǎn)速控制保持最佳壓力，才能達(dá)到最佳供水效果。目前采用變頻器對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速控制方式，是最理想、最經(jīng)濟(jì)的一種方法。
（2） 在安裝前首先把水管網(wǎng)路阻力損失、供水面積、供水高度等計(jì)算準(zhǔn)確，然后再確定水泵的揚(yáng)程、流量、軸功率、電機(jī)功率等，否則無法確定使用多大容量的變頻器。
（3） 在水泵銘牌上的揚(yáng)程是水泵的總揚(yáng)程，還必須考慮到由于管路的阻力（磨擦阻力、彎頭阻力等）所造成的揚(yáng)程損失（也稱損失揚(yáng)程），它包括不吸管水路的損失揚(yáng)程和壓水管的損失揚(yáng)程。因此，在選用水泵的總揚(yáng)程時(shí)應(yīng)該等于或大于所需揚(yáng)程。
（4） 水泵（指軸功率）與電動(dòng)機(jī)額定功率必須配套，應(yīng)采用高層建筑供水用的LG系列泵，該系列泵屬于立式單吸多級(jí)分段式離心泵。它的特點(diǎn)是噪音低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，適合于高層建筑供水用泵。
（5） 在設(shè)定壓力值時(shí)，要考慮管道的質(zhì)量，一般不宜超過4kg/cm。
6 結(jié)束語
將變頻器應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)，不僅減輕了工程人員的安裝勞動(dòng)強(qiáng)度，而且縮短了調(diào)試時(shí)間，方便了用戶的使用，減少了投資，節(jié)省了電能，縮短了設(shè)備維護(hù)時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，變頻器的多種保護(hù)功能又可對(duì)電動(dòng)機(jī)起到良好的保護(hù)。所以，將變頻器應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)值得推廣的工程應(yīng)用。
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