雷诺尔RNB3000系列变频调速器在恒压供水中的应用
 
上海雷诺尔电气有限公司变频事业部    杨荣荣  杨德良
 
        引言
        城市管网供水系统的水压一般只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须 “提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗，同时不可避免水质的二次污染。
变频调速恒压供水设备以其节能、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。恒压供水调速系统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。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

一、RNB3000变频器的特点：
        雷诺尔 RNB3000系列变频器是上海雷诺尔公司采用全新的空间矢量技术和特有的软件死区补偿技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有优良的速度控制和转矩控制特性,完整的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。
        主要技术数据：
        功率范围：3.7——315kW
        电源电压：380VAC 3相±20%； 
        电源频率：50/60Hz
        控制连接： 2个模拟输入： 电压输入（0—10V），电流输入（0—10mA或4—20 mA）；2个可编程的模拟输出： 0—10V输出，4—20mA输出；6个数字输入： 3个电机运行控制输入和3个可编程数字输入实现八段用户可编程运行方式，电动电位器设定模式；3个的数字输出： 1个故 障输出和2路可编程数字输出
        连续负载能力：150% Ie，1分钟
        串行通讯能力：标准的RS—485接口可使变频器方便地与计算机连接。
        保护特性：过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、电机过载保护、串行通讯故障保护等。
        外型结构紧凑，安装方便。产品经过多种电气安全规范认证及质量认证体系ISO9001等。
        变频器独特的空间矢量算法和软件死区补偿技术保证在最低开关损耗前提下实现低频大转矩，最大限度地保证低频极速条件下的平稳转矩特性，高效率电网电压利用率及优化的正弦波输出，使电机工作噪音降低，发热减少，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。
        自动节能运行：独特的软件功率因数调节，根据负载的变化，动态调节功率因数，节省更多的能源。
        电压波动抑制：动态自动电压控制（AVC）功能确保输入电压波动±30％时，输出电压波动小于±5％。
        RNB3000系列变频器内置PID调节器，PID调节控制对象的传感器等检测控制量（反馈量）由模拟输入通道给定，目标值（温度、压力、流量等）由数字无量纲设定最大值（0—9999）给定。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使目标量的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波系数，使系统的调试非常简单、方便。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程， PLC仅采用一个开关量输入/输出的即可，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。
 二、变频恒压供水系统的构成及原理
        变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置（或外置）PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知PLC进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。
        系统工作原理间图如下所示。假设整个系统由四台水泵，一台变频器，一台PLC和一个压力变送器及若干辅助部件构成。各部分功能如下：安装于供水管道上的压力变送器将管网压力转换成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器；变频调速器用于调节水泵转速以调节流量；PLC用于逻辑切换。
        此外，上述系统还配备了外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。
        1． 运行方式 
        该系统有手动和自动两种运行方式：
        ⑴. 手动运行
　　  按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。
        ⑵. 自动运行
　　  变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以"先开先关"的顺序关泵。
        a). 启动程序
        先检测清水池的水位，如果水位达到启泵水位，则启动启泵程序，启动水泵。启泵时先启动真空泵抽真空，如果真空度形成，则可以开阀，启泵完成。如果抽真空失败，则关闭真空泵，停止启泵并报警。
        b). 投泵程序
        当变频器升至50Hz，而管网压力仍低于压力设定值时， PLC将开始计时，在规定时间内，若管网压力达到设定压力值，则PLC放弃计时，继续1#泵变频调压；在规定时间内，若管网压力仍低于设定压力值，PLC 将首先降低变频器频率至一定范围，1#泵由变频切换为工频，启2#泵变频。若管网压力仍低于压力设定值，PLC将会依次投入恒压泵，直至管网压力达到设定值。
        c). 切泵程序
        当变频器频率低至PID调节下限给定频率值，而管网压力仍高于压力设定值时，PLC将开始计时，在规定时间内，若管网压力降低至设定压力值，则PLC放弃计时，继续变频调压；在规定时间内，若管网压力仍高于设定压力值，PLC 将切除恒压泵，同时变频器频率将升高，以满足管网压力要求；若管网压力仍高于压力设定值，PLC将会依次切除恒压泵，直至管网压力达到设定值。
        d). 投切顺序
        泵的投切将遵循"先投先切、先切先投"的切换控制方式。即水泵在切换时，PLC根据其运行状况，将其自动排列至运行队列或待运行队列中，在下次切换时，PLC将根据其排列顺序，自动投切水泵。当水泵出现故障时，PLC自动将其从切换队列中退出，以便维修人员对其进行维修，而系统仍在全自动控制方式下运行，实现变频恒压变流量供水。
        e). 停泵程序
        停泵时，先将出水阀门关至1/3位置，然后停泵，最后将阀门关闭。
        2. 注意事项
        要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意：
        ⑴. 变频转工频开关切换时间TMC
　　 设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。
        ⑵. 上下限频率持续时间TH和TL 
　　 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。
三、应用范围
　　  1. 该系统既可用于生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统。
　　  a. 可广泛用于工业企业、生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水厂、生活小区及消防供水系统。
　　  b. 可用于各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统。
　　  c. 可用于污水泵站、污水处理及污水提升系统。
　　  d. 可用于农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。
　　  e. 可用于宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。