惠丰变频器在供水领域的应用。

             
一、前言
随着人们生活的提高，在生活用水方面的要求日益提高，变频恒压供水以起环保，节能和供水质量高等优点 在供水行业应用越来越广的到应用，以往的变频恒压供水往往采用可编程控制器（PLC）与变频器组合起来实现控制，但可编程技术含量较高，编程难度大而让人感觉通用性不强。而采用变频器内置PID（比例微分积分）控制模式可以抛弃可编程调试带来得麻烦，简单易学，调试简单，性能可靠，抗干扰能力强。
二、系统构成与工作原理
变频供水系统中我们一般采用以下2种传感器：远传压力表（电阻式传感器可反馈0－5VDC 电压信号）和压力变送器（可反馈4－20ma直流电流信号）来检测管路的压力。压力设定单元是为用户设定工作所须的系统压力，而变频器是整个供水系统的核心，通过改变电机的工作频率实现电机的无及调速，无波动恒压供水和各项功能。在一般供水系统中通常有主泵、副泵和备用泵。下面我们以烟台惠丰电子有限公司F1500－P系列产品来介绍供水系统的工作原理和常遇到的问题和解决方法。产品采用F1500－P 系列，该系列内置PID控制器，有2个模拟口输入（AN1－GND、AN2－GND）、2路模拟量输出（FM－GND、IM－GND）、2个继电器输出口。 用户可以在线设定工作所需的参数、最高最低频率和继电器的输出口，控制非常方便。下面我们针对一拖一单泵自动恒压供水、一拖二固定模式自动恒压供水和一拖二轮换式自动恒压供水分别进行介绍。
1.一拖一单泵恒压供水电气控制原理图（见图1）：

　　从中我们可以看到这是较为简单的闭环系统，操作简单。参数的设置：
F400=1  开放PI调节；
F401=0  选择压力表类型；
F402=0　选择为单泵工作模式；
F403=0　选择模式为负反馈。
调试说明： 根据现场情况，选择合适的PI调节器，设置好比例（p）,积分(I )常数值 F424，F425 的值和采样周期F426。根据选择的压力表类型（远传压力表或压力变送器），我们可以选定PI 调节反馈通道（0：AN1通道0－5(10)DCv ；AN2通道0（4）－20ma）。
根据现场的工作需要，我们可以设定：F409（压力表设定下限(MPa)）、F410（压力表设定下限对应反馈量（V））、F411（压力表设定上限（MPa））、F412(压力表设定设定上限对应反馈量)。同时在负反馈时，还有极限负反馈F431（压力反馈极限），当传感器的输入量超过此值时，立即自由停车，当压力小于压力设定值F421时，又自动运行。
当缺水时，检测用的传感器检测到有缺水情况则变频器会立刻停车，缺水报警信号一消失会立刻投入运行。针对缺水保护F1500系列提供了以下的功能：
① 当F500=1，缺水保护方式为传感器缺水保护方式，当缺水发生时，立刻停止运行并对外输出报警信号EP，水位达到一定高度时，传感器检测到该情况外部端子动作使变频器立刻动作进行PI调节。
② 当F500=2时 无传感器保护模式，变频器不外接液位传感器，内部软件按以下条判断是否缺水（仅在有负反馈时有效）：
⑴ 行频率达到上限频率；
⑵ 当前电流小于电机带载最小工作电流；
⑶ 当前压力值小于设定压力值。
当上述三个都满足时，缺水保护，报警信号显示EP，同时延时F502（无传感器缺水后再次给水设定的时间）后再启动运行。
压力传感器（远传压力表和压力变送器）的选取和安装：
① 远传压力表目前大多选用电阻或电位器类型的，工作原理：当系统有一定的液体或气体压力时，压力表能将检测到的压力的变化情况转换成电阻量的变化对外输出。（用户在现场可以直观的看到系统压力的变化情况）应用远传压力表应注意：
⑴　压力表的地端应与变频器的端子GND相连；
⑵　压力输入信号与变频器的AN1相连；
⑶　电源端与变频器的+10v 相连。
② 压力变送器：当系统的液体或气体有压力时，压力变送器能将压力的变化情况转换成标准的 0（4）－20ma 直流电流信号输出，优点是适合远距离传输信号，抗干扰能力强。使用压力边送器一般需要24v的直流激励电源，变频器有24v 的电源可以直接使用，对应com地，用户也可以单独外接开关电源，注意开关电源电压要求最少+16v 以上，太低可能不能正常工作。
③ 传感器安装部位的选定，考虑到传感器的测量精度，我们一般将安装部位选在供水管的离地面 1.0M－1.5M 高度，一般采用螺纹连接。
2.一拖二固定模式自动恒压供水的控制过程：
一拖二固定模式就是一台变频器控制2台电机，一台固定做变频泵用，另一台做工频泵用，根据工作压力的需要投入或切换掉工频泵（为负反馈模式）。
 一拖二固定模式自动恒压供水的控制电气原理如图2所示（GK-2）：


注意：上图中的热保护继电器FR1不应该加到KM2之后，应加到KM3之后。
在出厂值下参数如下设置：
F400=1     PI功能开放
F402=1     选择一拖二固定方式
F107=20HZ  下限频率作为水泵作功的最低工作频率
F223=5   OUT作投切输出信号

当PI调节频率到达上限频率，延时F428（ 投切工频泵的延时时间），并且当目前的工作压力仍小于设定压力减去死区压力（为量程的百分比），变频泵立即自由停车，此时若表征端子设为5（投切信号）时，此端子动作，表现为：当OUT（F223=5）时，OUT与24V之间输出24VDC。我们在两个端子之间外接一个24V的中间继电器，则此时继电器工作， 通过外部接触器把工作泵切换到工频上。延时F434（变频泵再次工作时间）后，变频泵重新运行进行PI调节，防止管网压力有大的波动。
如果工频泵已经投入到工频上，而且当前压力大于设定压力，变频器运行频率已经降到下限频率，延时F428（投切工频泵的延时时间）设定的时间后，OUT与24V之间输出0V电压，外部24V中间继电器断开，通过接触器把工频泵切掉，变频泵通过变频器的PI控制模式运行，进行压力的调节。当工频泵断开后当前压力仍大于设定的压力，则变频器在延时F435（停车延时时间设定）时间后停车。
变频器停车后，若压力小于F421设定值（PI调节压力给定2），则变频器会重新自动拖动变频泵运行进行PI调节。
同时当是负反馈时，当传感器的输入量超过F431（ 极限反馈）的设定值时，立刻自由停车，同时根据压力情况，当压力小于F421设定，又自动运行。一旦有缺水报警信号，变频器立即停车，报警信号一消失立刻投入运行：
① 当F500=1，缺水保护方式为传感器缺水保护方式，当缺水发生时，立刻停止运行并对外输出报警信号EP，水位达到一定高度时，传感器检测到该情况 外部端子动作使变频器立刻动作进行PI调节。
② 当F500=2时，无传感器保护模式，变频器不外接液位传感器，内部软件按以下条判断是否缺水（仅在有负反馈时有效）：
⑴　运行频率达到上限频率；
⑵　当前电流小于电机带载最小工作电流；
⑶　当前压力值小于设定压力值。
当上述三个都满足时，缺水保护，报警信号显示EP，同时延时 F502（无传感器缺水后再次给水设定的时间）后再启动运行。
3. 一拖二轮换式自动恒压供水：
一拖二轮换模式基本与固定模式相同，不同之处在于F429（定时轮换时间）到后，将2台泵互换，即原来的工频泵做变频泵用，变频泵改为工频泵用，防止长时间只用一台泵，另一台泵得不到使用而老化生锈。
一拖二轮换式自动恒压供水原理，如图3所示（G－3）：


注意：上图中的热保护继电器FR1不应该加到KM1之后，应加到KM2之后。
在出厂值下参数如下设置：
F400=1     PI功能开放
F402=2     选择一拖二轮换方式
F107=20HZ  下限频率作为水泵作功的最低工作频率
F222=6   TA、TC作轮换输出信号
F223=5   OUT作投切输出信号


工作原理：我们将F222（继电器表征输出）= 6，F223（OUT表征输出）=5。也就是说， 继电器端子TA、TC闭合，外接中间继电器接变频泵，OUT与24V之间外接中间继电器控制切投工频泵。当轮换时间到后，继电器TA，TC断开，OUT与24V之间输出为0V，F222（继电器表征输出）=5，F223（OUT表征输出）=6在F438（延时轮换延时时间）到后，OUT与24V之间输出24V，外接继电器接变频泵，继电器TA、TC的闭合通断。外部两端子之间接一个 24V的继电器，用于切投工频泵，变频器自动运行，根据压力情况进行PI调节。
三  变频器在现场使用时常遇到的问题和解决方法：
1. 产品选型：
注意区分是恒转矩负载，还是风机泵类负载，一般泵类负载都比较轻，负载功率与电机转速是三次方关系，但像深井泵之类的负载比较特殊，因其扬程大，负载重应该认做恒转矩负载，风机泵类负载在选择变频器时可以选用风机泵类专用变频器，此类专用变频器一般在设计时都将常用到的功能和控制方法软件化，有专门的信号输出，输入口，使用方便。如果是深井泵我们常选用通用变频器外加专用的PI控制器。
2.变频器在现场调试时应注意以下问题：
① 确认变频器完好无损，接线正确，变频器保护接地良好。
② 测试电机在变频状态和工频状态的旋转方向是否一致，要确保电机在不同的工作方式下运行方向一致。
③ 测试远传压力表或压力变送器完好无损，正确的将传感器与变频器连接。
④ 根据现场工作的需要，我们将工作时水的压力（如公斤力）换算成标准的压力（MPa） 输入到变频器，注意变频器的上限压力设定值要稍微大于实际需要值，上限压力设定值与极限压力设定值要有一定的差值，不能太小，防止变频供水时供水压力瞬时超过极限压力设定值而造成变频器停车。
⑤ P、I 、D 值的整定：用户在使用PID调节方法控制系统时，要使系统合理正常的工作关键在于P、I、D三个参数的整定。一般来说，P值越大，负载变化后供水压力恢复的越快，但过大会引起超调现象使系统振荡，不稳定；I值大，响应速度可快，但抑制超调现象的效果不是太好，D值主要是加快响应速度，该值应尽可能小，否则会引起较大振荡。我们推荐用户使用PI 调节方法：先设定PI 值为出厂值，I值由小到大逐步调节，直到整个系统能较快 稳定的达到所需要的值。
3.明白系统的工作原理：该原理是：将主管出口压力作为调控参数，通过压力变送器或远传压力表将主管出口压力信号转换为4－20ma ( 或0－5 v) 直流信号，送入调节器，与压力设定信号比较，其差值由调节器做PI 运算，输出信号送给变频器，随时调整变频器的输出频率，控制电机转速，从而改变泵的排水量，维持主管出口压力稳定在设定的压力值以上。若主管压力发生变化将自动进行调节。

惠丰变频器在深井泵节能改造的应用
烟台瑜纲电缆厂自己备有深井供水系统。由一台额定流量30M3/H，扬程120M的深井泵供水，以前工作情况如下：将地下水抽到300M3的蓄水池，再有2台互备用的加压泵向全厂和生活区直接供水。 在生活区还设置一座高28M，容量80M3 的水塔做蓄水和稳压用。
自去年以来，该水井的地下水位明显上升，由以前－20M上升到－8M左右。深井泵供水量由原来的30M3/H，变为40M3/H，整套系统处于大流量低扬程的状态，供水量远远大于需求。为改变这种工作情况，降低能源消耗，工厂决定对供水系统进行改造。
根据原来的水泵在当初设计时是按照深井泵来设计，现在的供水水位很高，此泵工作时的负载轻，可以认为是风机泵类负载，因此我们决定用风机泵类专用变频器进行变频改造。
改造的可行性分析：
根据水泵的工作特性，水泵的流量Q与电机转速N成正比；
                       扬程H与电机转速N的平方成正比；
                       水泵功率P与电机转速N的立方成正比。
因此我们通过控制水泵电机的转速就可以达到改变水泵流量，扬程的目的，在改造时我们根据现场情况决定保留其远程压力表 作为在出水口的压力控制检测传感器，该压力表可以现场显示供水压力，同时可以将压力的变化以0－5V电压的变化传送到变频器的控制部分，通过对设定压力与反馈压力的对比进行PI运算，变频器实现对水泵的控制，从而实现供水的要求。
改造结束后，厂家对改造前后进行了对比：改造前该水泵工作电流在80A（实际功率40KW）左右，改造结束后，工作电流降到了50A（实际功率25KW）左右，降低电机无功消耗15KW左右，节能降耗明显，估算每年可以节电13.68万度，节约 9.6万元，取得了明显的经济效益，该厂自从2000 年9月16 日改造完毕，到现在正常工作已有4 年多了，电费节约了将近40万元。 厂家对此特别满意。