东芝VF-S11变频器在小流量恒压供水系统中的应用

1．前言
    传统的生活小区恒压供水系统中一般选用相当型号的水泵2~4台，采用循环软起动控制方式，即自动补泵、自动减泵、定时换泵，大多没有考虑小流量用水情况。若主泵功率较大（一般认为≥11KW），会造成小流量供水时间内较大能量浪费的。一般住宅小区的供水规律性较一致，即用水高峰比较集中在早上、中午、晚上三个高峰时段约8小时，而其余时间供水量较小，水泵负荷小。尽管采用变频器调速，由于存在调速泵在低频率下运行效率较低的问题，造成小流量供水时水泵耗能相对浪费的情况。
    通过增加1~2台小流量泵的方案来解决小流量供水问题。下面以某700户生活小区情况为例说明系统的设计和控制。

2、系统设计
    根据经验生活主泵选用ISG80-200水泵2台，单台Q=50m3/h，H=50m，N=15KW。另选用QDL16-40水泵1台，单台Q=16m3/h，H=48 m，N=4KW。采用变频控制系统一套，由于主泵、小泵功率差别不太大，主变频器采用东芝VF-S11-4015PL变频器1台，东芝VF-S11变频器内置EMI抗干扰滤波器，非常适合于生活小区使用，对外界电磁及无线电干扰极少。另外该变频器输出端子功能较多（可编程）具有58种，可根据使用者要求程序设定所需要功能。另外东芝VF-S11变频器为恒转矩、变转矩共用型变频器，较一般水泵风机型变频器有较大的过载特性，额定电流值相对较大，即便对潜水泵类负载一般无需放大选型，此外东芝VF-S11系列变频器适应较大的电压范围380V至500V（允许波动－15%，+10%），保护功能齐全（20多种），并具有独特的失速防止自动节能、矢量控制功能等。控制核心采用日本西门子LOGO-  1台，控制系统示意图如下：


3、控制功能
3.1手动/自动模式切换
    一般情况下系统采用自动控制模式，即自动变频恒压供水模式，管网压力传感器采用YZT耐震远传压力表，三个输出端子分别接变频器CC、VIB、PP端子，当采用4~20mA压力变送器时接变频器CC、VIA端口。可编程LOGO根据输入（I）信号的变化自动控制变频器及水泵电机的自动起停。
    当变频器或自动环节故障不能正常运行时，可用模式转换开关切换至手动运行模式，用变频柜面板的三台水泵的起停按扭分别起、停对应的水泵。

3.2自动补泵功能
    传统的补泵操作采用“循环软起动”控制模式，即当1号泵变频满频时（50Hz），1号泵切换为工频运行，再由变频器起动2号泵运行。目前对这种起动方式持异议较多，但随着变频技术发展，高性能变频器都具有自动跟踪及工频变频切换功能（东芝VF-S11变频器也有），故这种“循环切换”对变频器还是安全的。由于一般生活小区水泵功率不大，补泵时采用直接工频起动方式更方便些，系统设计也简单，故对该系统采用工频直接起动的补泵方式。
    补泵信号来自VF-S11变频器的FLA、FLC端子（变频器出厂设定为故障跳闸信号），该对端子功能由参数F132设置：F132=2（即频率上限UL），当输出频率等于或大于频率上限UL时“ON”。相关参数频率上限UL设置为50Hz。当单台泵变频运行至50Hz时，变频器FLA、FLC端子“ON”，可编程LOGO接收该满频补泵信号，延时（30s）进行补泵操作，工频起动另外一台备用主泵。

3.3自动退泵功能
    对本系统供水若高峰时两台主泵一台工频一台变频同时运行，随着供水量逐渐减小，变频泵频率逐渐降低，当频率降至退泵频率时，系统进行退泵操作。退泵信号来自VF-S11变频器的P24、OUT端子，该对端子功能由参数F131设置：F131=8（即设定频率到达信号RCHF），当变频器输出频率等于或小于用F101±F102设定的频率时，该对端子“ON”。相关参数速度到达设定频率F101设定为10~20Hz，在系统调试时确定，速度到达检测频带F102设定为2.0Hz。

3.4小流量控制模式
    小流量控制模式分“进入小泵”、“小泵运行”、“退出小泵”三种情况。当单台主泵变频运行时，随着用水量的逐渐减小，变频器频率逐渐降低，当频率降低至“小流量频率时”，可编程控制器检测到该信号便停止主泵（1M或2M）变频运行，切换至小泵（3M）变频恒压运行。小流量频率信号来自VF-S11变频器RY、RC“低速检测信号输出”端子，端子功能由参数F130设置：F131=5（即低速检测信号负逻辑LOWN），当变频器输出频率等于或小于F100设定的频率时，该对端子“ON”，系统便进入小流量供水模式。相关参数低速信号输出频率F100一般设定为25~35Hz，具体设定值在系统调试时确定。
    当小泵变频运行时，随着用水量的逐渐增大，变频器频率逐渐升高，当频率升至50Hz时，变频器FLA、FLC端子发出满频信号，可编程LOGO接收此信号，延时（30S）便自动退出小泵变频运行模式，进入主泵变频恒压供水模式。

3.5其它功能
    系统还具有其它功能，如低水位保护功能，市政管网供水功能等。当贮水池水位低于下限水位时，系统自动停机，同时输出缺水报警信号，当水位恢复至一定水位时，系统自动恢复运行。本小区水源为市政自来水，系统设计为加压泵组与市政管网并网，控制系统监测市政管网水压，当管网压力满足要求时，加压系统切换至市政管网供水模式，当市政管网水压不能满足时，自动运行二次加压供水设备。

4、程序设计及参数调试
    变频器主要参数设定见表1，具体应根据系统的设计而定。
    可编程控制器LOGO程序设计比较简单，这里不再详述，其设计流程见图1。

    在调试过程中注意退泵频率、退泵延时、小流量频率、进入小泵延时。退出小泵延时等参数的设置，防止系统频繁进入补退泵和频繁进行小泵退出小泵的操作。
    PID参数的设定也比较关键，比例增益F362过大，压力调节快，易引起压力振荡，设定过小，反应迟钝。积分增益F363过大，反应退钝，设定过小，压力调节快，易振荡。一般微分增益设为零。出口压力设定由面板上下键设定，该设定值与系统压力设定值（MPa）没有严格数字关系，凭经验设定，一般面板设定值可先设为10，然后根据实际所需出口压力进行调整。