高压变频器双闭环优化供水控制应用

1、高压变频器双闭环优化供水控制应用技术服务中心 杨晓明摘要：随着高压变频器技术的不断发展和成熟，高压电机恒压供水已成为一种自动控制的发展趋势。为了保证不利点压力恒定和管网供需平衡，采用双闭环优化供水控制方案。利用压力传感器检测管网的实际压力，采用GPRS无线传输技术检测不利点压力信号。根据设定的压力闭环优化调节变频的输出保证恒压供水控制。关键词：高压变频器 恒压控制 PID调节 双闭环一、概述水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。抚顺自来水公司于2008

2、年陆续在各大水厂使用高压变频调速装置（如图1所示）。投运以来，设备运行稳定。但目前国内变频器在供水行业的应用中由于供水管网的复杂运行情况，都是处于开环控制运行，没有真正的实现实时压力闭环调速控制。实际情况是，管网需要调节水压时，值班人员需要到变频器上调节运行频率，而自来水供水负荷变化很不稳定以至每天要反复到变频器前操作，操作起来非常不便，这种半自动化控制没有充分的利用好变频器的节能功能，鉴于此，为了提高供水设备自动化水平，为了真正的做到既保证供水又节能降耗，供水行业应根据自身运行特点实现变频器恒压闭环控制。图1 现场变频器与水泵图片二、变频恒压供水原理所谓恒压供水是指用户端不管用水量大小，总保

3、持管网中水压基本恒定。这样，既可满足各地区的用户用水量的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费，还保障管网运行平稳。为实现上述目标，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。设备投入运行前，首先根据水厂的运行经验设定设备的工作压力等相关运行参数，设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化信号，并将其转换为模拟量信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。荣信公

4、司率先在国内供水行业采用“基站式”无线压力控制系统。如图2所示。利用压力传感器检测管网终端的实际压力，采用GPRS无线传输技术把压力信号从远方传到变频控制系统中。根据设定的压力闭环调节变频的输出保证恒压供水控制。图2远程压力闭环反馈示意图三、恒压供水方案比较变频调速恒压供水系统可根据管网瞬间压力变化，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值。实现压力恒定最常用PID控制、分时定压、压力分段控制经过在各水厂的反复实地试验，这三种单一的控制模式很难满足抚顺自来水公司供水复杂负载的需求。最终根据管网的实际情况采用系统设为双闭环优化控制方案，此方案既保证能够适应生产的需要，又在实际设备运行中最大限度实

5、现自动化控制。具体几种恒压供水的方案比较如下：3.1单点压力闭环控制设置单点出口压力给定，根据压力反馈实时调节出口水压，保证管网压力稳定，调节方便快速。首先，系统采用管网最不利点单点做为反馈，通过监测最不利点的压力变化并将其反馈到变频器实时调节机泵运行状态，这样既保证供水，又不浪费多余电能，达到机泵运行与管网的统一，而这一方案运用到河北水厂实际运行情况没有达到理想的效果，在河北水厂试运行期间选取的是该水厂常年的管网最不利点实现单点压力闭环控制，但最不利点的用水情况复杂水量、水压的随机变化反应周期长，会有大量用水或者突然用水量减少等情况，造成水压不稳，对终端用户造成影响，人工调节造成一定的滞后性

6、。此系统不能够完全满足实际生产的需要。系统框图如图3所示。出口压力PID控制器水泵高压变频器器压力变送器器图3单点压力闭环控制系统图3.2段速压力分段控制考虑到单点控制的不稳定性，决定变频器根据压力传感器检测的管网压力进行分段控制。根据所需压力大小设置上下限判断点，控制变频器的运行频率。给水泵启动及系统压力达上限值时对应变频器下限频率运行；系统压力达下限值时对应变频器上限频率运行。同样是以管网最不利点作为反馈信号，这样取上限下限两个压力点把运行压力控制在某一段压力范围内，希望可以缓解单点反复变化的缺点，但实际运行情况证明恒定2个压力点仍然满足不了复杂的管网运行情况，这种方法只有在短时间内供水情

7、况相对平稳的时候适用，用户端一旦有特殊的用水情况发生，仍然存在单点闭环控制的调节滞后的问题，无法实现既自动控制又保证供水的实际生产需要。此方案比较适合压力变化稍平稳的供水环境。3.3定时定压控制为了满足复杂的供水情况，根据水厂的运行记录，按照以往的用水高峰、低峰经验，将运行压力根据不同的运行时段设定不同压力值，让系统根据不同时间自动调节相应运行频率满足相应时间的供水需求，但即便是这么细致的人为考虑到各种情况，这种最不利点的反馈与实际供水管网负载的变化仍达不到运行的统一，虽然会有效保证供水并具备一定节能效果，但此方案无法根据管网、水量等外界因素进行实时调节，达到真正的自动控制。3.4双闭环优化供

8、水控制经过以上的失败经验，要想让供水管网运行在一个相对稳定，却又合理的压力范围内，必须要同时兼顾管网出口端压力和最不利点压力情况，复杂的管网运行状态不易掌握，但可以通过同时控制这两点的压力值，人为的将其统一，这样即可保证供水需求，又会通过控制管网出口端压力进行调节机泵运行达到节能的效果。集合单点压力闭环控制和段速压力控制的优势，能够快速响应，调节范围宽，管网系统稳定。系统如图4所示。同样，以管网远方不利点作为恒压供水参考点，通过GPRS压力传感器把远方信号传给变频器作为压力反馈信号（P2传感器）。为了调节时保证出口压力不突变，把出口压力值反馈到变频器中（P1传感器）做为限制。当出口压力返馈值小

9、于设定时（在屏幕上可以随时根据用水需求在线设置、修改出口压力限制值），系统进行以远程压力反馈点做PID控制。当出口压力返馈值大于设定时，系统不进行远程PID调节。保证输出压力恒定在限定值。图4双闭环优化控制系统图目前这种双闭环控制系统已在抚顺自来水公司成功运行，通过双闭环控制系统的自动调节，管网压力基本上能同时满足最不利点和管网正常出口端的压力需求，具体反馈点压力情况如下图：图5压力曲线图如图5所示，在保障管网出口端压力的同时，管网的最不利点压力几乎始终保持在可供水压力范围内。实行双闭环控制系统后河北水厂在满足最不利点供水需求的前提下，平均每天节约用电量800KWH左右，相比开环运行用电量下降

10、4.2%。实践证明采用高压变频器双闭环优化供水是较为适合的控制模式。变频改造后系统通过压力闭环，可实现跟踪供水系统负载变化，调整电机的转速，保证出口压力恒定，可使供水系统工作在稳定的最佳运行状态下，并实现自动调节。四、高压变频原理及系统方案高压变频调速装置的主电路如图6所示。通过主电路图，可以直观的了解变压器的副边绕组与功率单元以及各功率单元之间的电路连接方式，具有相同标号的3组副边绕组，分别向同一功率室（同一级）内的三个功率单元供电。第一级内每个功率单元的一个输出端连接在一起形成星型连接点，另一个输出端则与下一级功率单元的输出端相连，依此方式，将同一相的所有功率单元串联在一起，便形成了一个星

11、型连接的三相高压电源，驱动电动机运行。电网电压为10kV，高压变频调速装置的副边输出电压（即功率单元的输入电压）为690V，每个功率单元的最高输出电压也为690V，同一相的8个单元串联后，相电压为690V×8=5520V，由于三相连接成星型，线电压为1.732×5520V10000V，达到电网电压的水平。 图6 高压变频调速装置主电路拓扑结构图此次变频升级选用荣信5000系列变频器。为了节省一次投资，系统加配切换柜实现一拖二模式。一台变频器可以分为驱动2台水泵。2台水泵可以手动切换。系统图如图7所示。荣信5000系列变频器采用一体化设计，功率部分与变压器部分前后布置，共用散

12、热风道，变频器总体长度2.6米，节约使用空间。采用薄膜电容器，耐压高达1200V，无需串联使用。使用寿命长。彻底解决了电解电容器耐压低，寿命短的问题。变频系统采用用户提供的一路控制电源，同时移相变压器从高压侧变换一路控制电源，双路电源整流直流后并联热备用，无需使用UPS。变频器内部采用低压预充电设计，系统通高压电时对上级开关柜无冲击，对单元内直流电容无冲击。在电网电压掉电10S内，变频系统不停机，电压恢复后，可继续连续运行。图7 一拖二模式系统图五、 双闭环优化控制技术特点1、 可以保证不利点压力恒定并能保证供需水量平衡，控制精度高。提高自动化水平，完全满足供水需要；2、 采用双闭环优化控制可

13、以保证供水范围恒定，大大减少人工调节给定压力。节能效果明显；3、 在屏幕上显示出口压力和远程压力，可以全局观测系统供水情况；4、 具有压力信号断线保护功能，远方GPRS信号中断，反馈信号为0mA时变频器运行频率保持不变，同时发出报警信号提示反馈信号中断报警；5、 压力闭环控制与频率给定控制在线切换，在系统不停机情况下可以两种控制功能相互切换。压力闭环切换到频率给定控制时，变频器按设定频率运行，进一步满足保障供水的需要；6、 适应GPRS每分钟传一次压力值，并具有反馈压力滤波功能，滤波系数可在控制面板设置修改。反馈压力具有滤波保护功能（大于设定值视为干扰信号），滤波值可以在线修改7、 压力传感器

14、的量程、压力限定值、给定压力、PID参数可以在控制面板修改；六、 高压变频改造效益分析6.1降低能耗：电机转速与频率的公式 n=60f/p 上式中 n电机的转速（转/分）； 60每分钟（秒）； f电源频率（赫芝）； p电机旋转磁场的极对数。由电机特性分析可知，均匀改变电机供电频率f，就可以平滑地改变电动机的转速，从而改变泵机的转速；结合泵机特性分析，降低电动机转速，电动机输入功率也随之减少，泵机轴功率就相应减少降低能耗，节电率达到25.04%。是高效节能按需要设定供水压力，根据管网用水量来变频调节水泵转速，使水泵始终在高效率工况下运行，同普通的无塔供水设备相比，节能效果达。6.2减少电网冲击：

15、保护功能完善。消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、 过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。6.3提高系统的运用可靠性、安全性：提高功率因数，降低无功功率，效率高达0.96以上；实现了电机的软起动，不会产生任何冲击，延长电机的寿命： 变频器投运后基本免维护，极大提高了系统的自动化程度。6.4相应时间短：采用调节电机供电频率是最理想的调节方式；频率调节范围宽，0-额定频率，任意可调；控制精度高，分辨率：0.01Hz。6.5减少冲击磨损：用水量不大的情况下，可以降低泵机的转速，这样不仅避免了水泵长期工作在满负

16、荷状态，造成的电机过早的老化，而且变频器的软启动大大减小泵机启动时对机械的冲击。6.6无极调速解决水锤效应：水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，水泵采用变频器调速以后，可以根据工艺的需要，实现泵机的软启和软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。七、结束语高压变频调速供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。但由于自来水供水行业实际管网负载的复杂性一直未实现真正的闭环控制供水，而高压变频恒压供水调速系统能够实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中根据自来水供水本身的特点采用这种双闭环控制方式将自动变频控制与实际供水环境相结合，有效的解决了实际生产的需要，真正达到了高压变频器自动控制机泵、保证供水、节能降耗的目的。相信，这是一项高压变