【正文】 物 的供水系統(tǒng) ， 采用 變頻器、 PID 調(diào)節(jié)器、單片機(jī)、 繼電器等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)用水量發(fā)生變化時(shí)，可調(diào)節(jié)水泵速度，或啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，保證水壓恒定。 共 35 頁 第 7 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 本著節(jié)約成本的考慮采用繼電接觸式控制系統(tǒng)，由繼電器 ，接觸器等器件構(gòu)成控制回路包括自動(dòng)、手動(dòng)運(yùn)行，多種保護(hù)、顯示等。 由上式可見，要使 m? 保持不變，就必須使 1E 與 f 比值保持不變，即 1E /f= const,但是 1E的大小無法從外部電路中進(jìn)行測(cè)量，從電機(jī)理論中我們知道，在忽略定子繞組的繞組壓降時(shí)，電動(dòng)勢(shì) 1E 與定子相電壓相等，即： ?1U 1E ，從而得出 1U /f= const。 若頻率 上升，則磁通降低，電磁轉(zhuǎn)矩減小，電動(dòng)機(jī)的過載能力下降 。這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制 ，也就是說調(diào)速裝置輸出的電壓和頻率的比值應(yīng)保持不變，因此這種變頻器被稱為 VVVF。變頻調(diào)速以體積小、重量輕、調(diào)速范圍寬、通用性強(qiáng)、保護(hù)完善、可靠性高，操作方便等優(yōu)點(diǎn)后來者居上，成為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的主流，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門以及人民生活中都獲得了廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都非常顯著。 變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備的主要應(yīng)用 于下列 場合 ⑴ 高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水。 ⑶ 中央空調(diào)系統(tǒng)。 ⑸ 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。 系統(tǒng)工藝流程 采用三臺(tái)水泵供水，壓力控制點(diǎn)設(shè)在水泵出口處，按此壓力設(shè)定值變頻調(diào)節(jié)水泵工況是常用方式，這種方式的控制點(diǎn)在給水設(shè)備間里，管理維護(hù)都比較方便。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一 共 35 頁 第 9 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 臺(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)相應(yīng)的變頻器，從解決問題方案這個(gè)比較簡單和方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費(fèi)的角度來看的話這樣比較昂貴。 如 下 圖為恒壓供水構(gòu)成示意圖 圖中壓力傳感器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口 ，變頻恒壓供水系統(tǒng) 壓力傳感器，把水壓轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的模擬信號(hào)，通過 PID 調(diào)節(jié)器送入變頻器 ，來改變電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速。 控制要求及技術(shù)指標(biāo) 三臺(tái)水泵供水，壓力控制點(diǎn)設(shè)在水泵出口處，用變頻器、調(diào)節(jié)器、繼電器、接觸器等組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保正水泵出口壓力恒定。當(dāng)?shù)谝患?jí)變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行時(shí)，第二臺(tái)備用泵變頻啟動(dòng)。停泵時(shí)依次停第一、二臺(tái)泵。 用三臺(tái)水泵供水 。 設(shè)定自動(dòng)、手動(dòng)。 面板上有壓力、頻率、電壓等顯示。這種不平衡集中反映在壓力上：用水多而供水少，壓力低。若能保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，從而提高供水的質(zhì)量。 根據(jù)理論分析，當(dāng)電源電壓一定時(shí)，電機(jī)消耗的功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比，即 3)2/1(2/1 nnNN ? 其中 N1 和 N2 是電機(jī)消耗的功率， n1 和 n2 是相應(yīng)于 N1 和 N2 的轉(zhuǎn)速。因此在維持水泵壓力恒定的條件下，通過調(diào)整水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速從而調(diào)整水泵的出水量，就可以大大節(jié)約電機(jī)所消耗的功率而達(dá)到節(jié)能的目的。應(yīng)當(dāng)指出，變頻恒壓供水節(jié)能效果主要取決于用水流量變化情況及水泵合理選配，使變頻 恒壓供水具有優(yōu)良節(jié)能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯(lián)供水模式。 一般的說，變頻調(diào)速恒壓供水方式用于生活供水，節(jié)電效率很高，可達(dá) 50% ，用于工業(yè)供水則在 30% ～ 40% 之間。h ，如果采取特別的節(jié)能措施，起碼節(jié)約 100kwh ，按每 1kw可靠性、使用壽命、整體造價(jià)是用戶關(guān)心的問題，也是生產(chǎn)廠家關(guān)注的問題。我公司主要采用國際知名品牌變頻器和單片計(jì)算機(jī)為產(chǎn)品配套，生產(chǎn)中嚴(yán)格按照 ISO9001:2020規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)，整套設(shè)備主要部件使用壽命一般在 10 年以上 .。 綜上所述，此方案具備可行性。三臺(tái)電機(jī)分別為 M1， M2， M3。接觸器 KM2， KM4， KM6 分別控制電機(jī) M1， M2， M3的變頻運(yùn)行 。 QF1， QF2， QF3， QF4分別為三臺(tái)水泵電機(jī)和變頻器 的低壓斷路器。 主電路圖 變頻器的工作原理 實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。 共 35 頁 第 12 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 整流部分，如圖所示 D1 D2 D3 D4 D5 D6，這六個(gè)二極管把三相整流成直流電，小功率變頻器一般直接使用整流二極管整流，某些品牌如西門子， ABB 等歐洲品牌的變頻器， 55KW或以上變頻器則采用半控或全控三相橋式整流； 直流部分，由 C1 C2 R1 R2 組成直流環(huán)節(jié)，主要作用是濾波，使電壓保持穩(wěn)定，以及承擔(dān)整流與逆變部分能量轉(zhuǎn)換； 逆變部分，有 VR1 VR2 VR3 VR4 VR5 VR6 組成逆變電路 ，這六個(gè)逆變開關(guān)管有規(guī)律的關(guān)斷與導(dǎo)通，把直流電變成頻率與電壓可調(diào)的交流電 。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時(shí)進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對(duì) U/f 協(xié)調(diào)控制的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)字化信 息的依賴越來越強(qiáng)。單片機(jī)已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。其高檔型： 8196KB 、8196KC 、 8196MC 等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。 擴(kuò)展卡爾曼濾波、 FFT、狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等先進(jìn)理論均廣泛應(yīng)用到了各種交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中。如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯片，以其較高的性能價(jià)格比成為了全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的首選。 在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當(dāng)中，各種總線網(wǎng)絡(luò)也扮演了相當(dāng)重要的角色。 電機(jī)運(yùn)行的控制 三臺(tái)電機(jī)分別為 M1， M2， M3。接觸器 KM2， KM4， KM6 分別控制電機(jī) M1， M2， M3的變頻運(yùn)行 。手動(dòng)狀態(tài)下每個(gè)電機(jī)設(shè)置一啟動(dòng)按鈕，一停機(jī)按鈕自由控制電動(dòng)機(jī)的起停，每一臺(tái)電機(jī)工頻變頻之間有互鎖。當(dāng)頻率達(dá)到上線，壓力達(dá)到下限時(shí)，用壓力信號(hào)來控制變頻轉(zhuǎn)工頻，同時(shí)啟動(dòng)下一臺(tái)泵的變頻，在壓力達(dá)到上限時(shí)，控制停機(jī)，若三臺(tái)泵都已啟動(dòng)則先停 M1 的工頻，如果用水量還是較小，壓 力再次達(dá)到上限時(shí)停 M2的工頻，只留下 M3變頻運(yùn)行。當(dāng)下次有壓力下限信號(hào)來的時(shí)候 M3變頻轉(zhuǎn)工頻， M1工頻再次啟動(dòng)，然后再次運(yùn)行如前。同理若 M2,M3 工頻， M1 變頻，則先停 2 號(hào)泵，再停 3號(hào)泵。 工頻變頻切換與變頻器工作的時(shí)序的關(guān)系 為了避免變頻器在沒有負(fù)載時(shí)依然有輸出，在變 頻和工頻的切換過程中，變頻器可以在適合的時(shí)候關(guān)閉，所用變頻器有一個(gè) 端子由繼電器的常開觸點(diǎn)控制，比如從一號(hào)機(jī)的變頻傳工頻再切換二號(hào)機(jī)的變頻時(shí)，要求先斷開接觸器常閉觸點(diǎn)，關(guān)閉變頻器輸出，然后通過 KM1斷開一號(hào)電機(jī)的變頻，接通 KM2 啟動(dòng)工頻，再接通二號(hào)機(jī)的變頻，最后才閉合變頻器上的常閉觸點(diǎn)再次啟動(dòng)變頻器，實(shí)現(xiàn)了無擾切換。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)一般是模擬信號(hào)， 420mA 變化的電 流信號(hào)或 010V 間變化的電壓信號(hào)。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào) 共 35 頁 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 成比例關(guān)系。 積分（ I）控制 ： 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 微分（ D）控制 ： 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差 的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被 控量的嚴(yán)重超調(diào)。 （ 3） PID 算法的數(shù)學(xué)模型 PID 控制的原理基于下面的算式 : 其中 : M(t): PID 回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù) 。 e: PID回路的偏差 (給定值與過程變量之差 ) 。 為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制算式 ,連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計(jì)算輸出值，數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下 : 其中 : Mn: 在第 n采樣時(shí)刻 PID 回路輸出的 計(jì)算值 。 en: 在第 n采樣時(shí)刻的偏差值 。 KI: 積分項(xiàng)的比例常數(shù) 。 共 35 頁 第 15 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ KD: 微分項(xiàng)的比例常數(shù)。利用計(jì)算機(jī)處理的重復(fù)性可以化簡以上算式為 : 其中 : Mn: 在第 n采樣時(shí)刻 PID 回路輸出的計(jì)算值 。 en: 在第 n采樣時(shí)刻的偏差值 。 KI: 積分項(xiàng)的比例常數(shù) 。 KD: 微分項(xiàng)的比例常數(shù)。 :第 n 采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值 。 :第 n采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值 。 SPn: 第 n采樣時(shí)刻的給定值 。 PVn1: 第 n1 采樣時(shí)刻的過程變量值 。 TD: 微分時(shí)間 。 MX: 第 n1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng) (積分項(xiàng)前值 )。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng) （ 4） PID 控制的優(yōu)點(diǎn) ①原理簡單，使用方便 ②適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工，熱工，冶金，煉油以及造紙，建材等各種生產(chǎn)部門， 共 35 頁 第 16 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 即使目前最新式的過程控制計(jì)算機(jī)，其基本的控制功能也仍然是 PID 控制 ③魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì) 對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。反之，因?yàn)橛盟啃?，供水相?duì)過剩時(shí)壓力大，如果 H 大于 H0時(shí)， 控制器則發(fā)送降低水泵轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)。變頻器采用 VVVF，即變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，因?yàn)?