惠豐變頻器在供水領域的應用

一、前言

隨著人們生活的提高，在生活用水方面的要求日益提高，變頻恒壓供水以起環保，節能和供水質量高等優點 在供水行業應用越來越廣的到應用，以往的變頻恒壓供水往往采用可編程控制器（PLC）與變頻器組合起來實現控制，但可編程技術含量較高，編程難度大而讓人感覺通用性不強。而采用變頻器內置PID（比例微分積分）控制模式可以拋棄可編程調試帶來得麻煩，簡單易學，調試簡單，性能可靠，抗干擾能力強。

二、系統構成與工作原理

變頻供水系統中我們一般采用以下2種傳感器：遠傳壓力表（電阻式傳感器可反饋0－5VDC 電壓信號）和壓力變送器（可反饋4－20ma直流電流信號）來檢測管路的壓力。壓力設定單元是為用戶設定工作所須的系統壓力，而變頻器是整個供水系統的核心，通過改變電機的工作頻率實現電機的無及調速，無波動恒壓供水和各項功能。在一般供水系統中通常有主泵、副泵和備用泵。下面我們以煙臺惠豐電子有限公司F1500－P系列產品來介紹供水系統的工作原理和常遇到的問題和解決方法。產品采用F1500－P 系列，該系列內置PID控制器，有2個模擬口輸入（AN1－GND、AN2－GND）、2路模擬量輸出（FM－GND、IM－GND）、2個繼電器輸出口。 用戶可以在線設定工作所需的參數、最高最低頻率和繼電器的輸出口，控制非常方便。下面我們針對一拖一單泵自動恒壓供水、一拖二固定模式自動恒壓供水和一拖二輪換式自動恒壓供水分別進行介紹。

1.一拖一單泵恒壓供水電氣控制原理圖（見圖1）：

　　從中我們可以看到這是較為簡單的閉環系統，操作簡單。參數的設置：

F400=1 開放PI調節；

F401=0 選擇壓力表類型；

F402=0　選擇為單泵工作模式；

F403=0　選擇模式為負反饋。

調試說明： 根據現場情況，選擇合適的PI調節器，設置好比例（p）,積分(I )常數值 F424，F425 的值和采樣周期F426。根據選擇的壓力表類型（遠傳壓力表或壓力變送器），我們可以選定PI 調節反饋通道（0：AN1通道0－5(10)DCv ；AN2通道0（4）－20ma）。

根據現場的工作需要，我們可以設定：F409（壓力表設定下限(MPa)）、F410（壓力表設定下限對應反饋量（V））、F411（壓力表設定上限（MPa））、F412(壓力表設定設定上限對應反饋量)。同時在負反饋時，還有極限負反饋F431（壓力反饋極限），當傳感器的輸入量超過此值時，立即自由停車，當壓力小于壓力設定值F421時，又自動運行。

當缺水時，檢測用的傳感器檢測到有缺水情況則變頻器會立刻停車，缺水報警信號一消失會立刻投入運行。針對缺水保護F1500系列提供了以下的功能：

① 當F500=1，缺水保護方式為傳感器缺水保護方式，當缺水發生時，立刻停止運行并對外輸出報警信號EP，水位達到一定高度時，傳感器檢測到該情況外部端子動作使變頻器立刻動作進行PI調節。

② 當F500=2時 無傳感器保護模式，變頻器不外接液位傳感器，內部軟件按以下條判斷是否缺水（僅在有負反饋時有效）：

⑴ 行頻率達到上限頻率；

⑵ 當前電流小于電機帶載最小工作電流；

⑶ 當前壓力值小于設定壓力值。

當上述三個都滿足時，缺水保護，報警信號顯示EP，同時延時F502（無傳感器缺水后再次給水設定的時間）后再啟動運行。

壓力傳感器（遠傳壓力表和壓力變送器）的選取和安裝：

① 遠傳壓力表目前大多選用電阻或電位器類型的，工作原理：當系統有一定的液體或氣體壓力時，壓力表能將檢測到的壓力的變化情況轉換成電阻量的變化對外輸出。（用戶在現場可以直觀的看到系統壓力的變化情況）應用遠傳壓力表應注意：

⑴　壓力表的地端應與變頻器的端子GND相連；

⑵　壓力輸入信號與變頻器的AN1相連；

⑶　電源端與變頻器的+10v 相連。

② 壓力變送器：當系統的液體或氣體有壓力時，壓力變送器能將壓力的變化情況轉換成標準的 0（4）－20ma 直流電流信號輸出，優點是適合遠距離傳輸信號，抗干擾能力強。使用壓力邊送器一般需要24v的直流激勵電源，變頻器有24v 的電源可以直接使用，對應com地，用戶也可以單獨外接開關電源，注意開關電源電壓要求最少+16v 以上，太低可能不能正常工作。

③ 傳感器安裝部位的選定，考慮到傳感器的測量精度，我們一般將安裝部位選在供水管的離地面 1.0M－1.5M 高度，一般采用螺紋連接。

2.一拖二固定模式自動恒壓供水的控制過程：

一拖二固定模式就是一臺變頻器控制2臺電機，一臺固定做變頻泵用，另一臺做工頻泵用，根據工作壓力的需要投入或切換掉工頻泵（為負反饋模式）。

一拖二固定模式自動恒壓供水的控制電氣原理如圖2所示（GK-2）：

注意：上圖中的熱保護繼電器FR1不應該加到KM2之后，應加到KM3之后。

在出廠值下參數如下設置：

F400=1 PI功能開放

F402=1 選擇一拖二固定方式

F107=20HZ 下限頻率作為水泵作功的最低工作頻率

F223=5 OUT作投切輸出信號

當PI調節頻率到達上限頻率，延時F428（ 投切工頻泵的延時時間），并且當目前的工作壓力仍小于設定壓力減去死區壓力（為量程的百分比），變頻泵立即自由停車，此時若表征端子設為5（投切信號）時，此端子動作，表現為：當OUT（F223=5）時，OUT與24V之間輸出24VDC。我們在兩個端子之間外接一個24V的中間繼電器，則此時繼電器工作， 通過外部接觸器把工作泵切換到工頻上。延時F434（變頻泵再次工作時間）后，變頻泵重新運行進行PI調節，防止管網壓力有大的波動。

如果工頻泵已經投入到工頻上，而且當前壓力大于設定壓力，變頻器運行頻率已經降到下限頻率，延時F428（投切工頻泵的延時時間）設定的時間后，OUT與24V之間輸出0V電壓，外部24V中間繼電器斷開，通過接觸器把工頻泵切掉，變頻泵通過變頻器的PI控制模式運行，進行壓力的調節。當工頻泵斷開后當前壓力仍大于設定的壓力，則變頻器在延時F435（停車延時時間設定）時間后停車。

變頻器停車后，若壓力小于F421設定值（PI調節壓力給定2），則變頻器會重新自動拖動變頻泵運行進行PI調節。

同時當是負反饋時，當傳感器的輸入量超過F431（ 極限反饋）的設定值時，立刻自由停車，同時根據壓力情況，當壓力小于F421設定，又自動運行。一旦有缺水報警信號，變頻器立即停車，報警信號一消失立刻投入運行：

① 當F500=1，缺水保護方式為傳感器缺水保護方式，當缺水發生時，立刻停止運行并對外輸出報警信號EP，水位達到一定高度時，傳感器檢測到該情況 外部端子動作使變頻器立刻動作進行PI調節。

② 當F500=2時，無傳感器保護模式，變頻器不外接液位傳感器，內部軟件按以下條判斷是否缺水（僅在有負反饋時有效）：

⑴　運行頻率達到上限頻率；

⑵　當前電流小于電機帶載最小工作電流；

⑶　當前壓力值小于設定壓力值。

當上述三個都滿足時，缺水保護，報警信號顯示EP，同時延時 F502（無傳感器缺水后再次給水設定的時間）后再啟動運行。

3. 一拖二輪換式自動恒壓供水：

一拖二輪換模式基本與固定模式相同，不同之處在于F429（定時輪換時間）到后，將2臺泵互換，即原來的工頻泵做變頻泵用，變頻泵改為工頻泵用，防止長時間只用一臺泵，另一臺泵得不到使用而老化生銹。

一拖二輪換式自動恒壓供水原理，如圖3所示（G－3）：

注意：上圖中的熱保護繼電器FR1不應該加到KM1之后，應加到KM2之后。

在出廠值下參數如下設置：

F400=1 PI功能開放

F402=2 選擇一拖二輪換方式

F107=20HZ 下限頻率作為水泵作功的最低工作頻率

F222=6 TA、TC作輪換輸出信號

F223=5 OUT作投切輸出信號

工作原理：我們將F222（繼電器表征輸出）= 6，F223（OUT表征輸出）=5。也就是說， 繼電器端子TA、TC閉合，外接中間繼電器接變頻泵，OUT與24V之間外接中間繼電器控制切投工頻泵。當輪換時間到后，繼電器TA，TC斷開，OUT與24V之間輸出為0V，F222（繼電器表征輸出）=5，F223（OUT表征輸出）=6在F438（延時輪換延時時間）到后，OUT與24V之間輸出24V，外接繼電器接變頻泵，繼電器TA、TC的閉合通斷。外部兩端子之間接一個 24V的繼電器，用于切投工頻泵，變頻器自動運行，根據壓力情況進行PI調節。

三 變頻器在現場使用時常遇到的問題和解決方法：

1. 產品選型：

注意區分是恒轉矩負載，還是風機泵類負載，一般泵類負載都比較輕，負載功率與電機轉速是三次方關系，但像深井泵之類的負載比較特殊，因其揚程大，負載重應該認做恒轉矩負載，風機泵類負載在選擇變頻器時可以選用風機泵類專用變頻器，此類專用變頻器一般在設計時都將常用到的功能和控制方法軟件化，有專門的信號輸出，輸入口，使用方便。如果是深井泵我們常選用通用變頻器外加專用的PI控制器。

2.變頻器在現場調試時應注意以下問題：

①確認變頻器完好無損，接線正確，變頻器保護接地良好。

②測試電機在變頻狀態和工頻狀態的旋轉方向是否一致，要確保電機在不同的工作方式下運行方向一致。

③測試遠傳壓力表或壓力變送器完好無損，正確的將傳感器與變頻器連接。

④根據現場工作的需要，我們將工作時水的壓力（如公斤力）換算成標準的壓力（MPa） 輸入到變頻器，注意變頻器的上限壓力設定值要稍微大于實際需要值，上限壓力設定值與極限壓力設定值要有一定的差值，不能太小，防止變頻供水時供水壓力瞬時超過極限壓力設定值而造成變頻器停車。

⑤ P、I 、D 值的整定：用戶在使用PID調節方法控制系統時，要使系統合理正常的工作關鍵在于P、I、D三個參數的整定。一般來說，P值越大，負載變化后供水壓力恢復的越快，但過大會引起超調現象使系統振蕩，不穩定；I值大，響應速度可快，但抑制超調現象的效果不是太好，D值主要是加快響應速度，該值應盡可能小，否則會引起較大振蕩。我們推薦用戶使用PI 調節方法：先設定PI 值為出廠值，I值由小到大逐步調節，直到整個系統能較快 穩定的達到所需要的值。

3.明白系統的工作原理：該原理是：將主管出口壓力作為調控參數，通過壓力變送器或遠傳壓力表將主管出口壓力信號轉換為4－20ma ( 或0－5 v) 直流信號，送入調節器，與壓力設定信號比較，其差值由調節器做PI 運算，輸出信號送給變頻器，隨時調整變頻器的輸出頻率，控制電機轉速，從而改變泵的排水量，維持主管出口壓力穩定在設定的壓力值以上。若主管壓力發生變化將自動進行調節。

（恒壓變頻供水控制原理，如圖4所示）