提升变频器恒压水泵管线压力探头使用寿命的研究

1 李连财 2 庄秋昱

摘 要：恒压水泵在工业消防系统及楼宇生活用水系统中发挥着举足轻重的作用。首先，本文主要介绍稳压水泵的工作原理；然后，说明PID反馈压力信号实现负反馈的控制方式，分析反馈压力信号存在误差的原因；最后，结合一台运行设备运行情况，通过优化反馈信号及更改变频器控制参数，从而达到延长管线压力表使用寿命的目的。

关键字：恒压水泵 远传压力表 内部PID 施耐德Altivar61

1 引言

恒压水泵在工业消防系统及楼宇生活用水系统中发挥着举足轻重的作用，本水泵常由变频器通过PID负反馈控制方式拖动电动机，从而实现管线压力恒定的目的。稳压水泵压力表即可显示管线压力，也能为变频器反馈管线压力信号，变频器通过反馈的压力信号，结合变频器预设的目标压力，通过增减输出频率实现负反馈功能。但实际运行中，安装在稳压泵出口管线的压力表使用寿命较低，往往在运行1年至2年就需更换。

2 恒压水泵的工作原理

恒压供水就是要时刻让供需达到平衡，若供需之间没有达到平衡, 用户水压将发生变化。因而可根据水压变化实现对流量变化的控制, 以确保供需之间的动态平衡^[1]。

图1 恒压水泵工作示意图

2.1 各单元功能介绍

该恒压水泵电气控制系统主要由变频器、电动机以及远传压力表构成。

（1）变频器为主要控制单元。可以拖动电动机增速及减速运行，可以对电动机进行实时保护，还可以在内部参数设定水泵出口处稳定的压力值。另外，变频器控制端子输出的DC10V恒压电源加在远传压力表反馈信号两端，将远传压力表电阻信号转换为电压信号，作为变频器的输入信号。

（2）电动机是主要实施单元。执行变频器发出的增速及减速等命令，拖动离心泵转动维持管线压力。

（3）远传压力信号是负反馈的核心元件。通过检测水泵出口处压力参数，实时以电阻信号反馈给变频器，变频器通过比较分析反馈压力和变频器内部预设的压力大小，对系统管线压力进一步调整。

2.2 稳压工作原理

（1）当恒压水泵启动后，远传压力表反馈的数据低于变频设定值时，变频器输出频率增加，拖动电动机加速运行，恒压水泵增速后，水泵出口处压力瞬间增大。

（2）当远传压力表发出压力升高信号给变频器，变频器内部设定压力与远传压力表反馈数据进行比较。当出口压力仍旧低于设定值时，变频器输出频率继续增加；当出口压力等于设定值时，变频器输出频率维持不变。

（3）当变频器输出频率维持不变而管线压力持续升高时，变频器输出频率开始降低，拖动电动机减速。

（4）当变频器转速降低到最低时，系统压力仍旧满足要求时，可以设置变频器“休眠”功能，使得电动机停止运转。

（5）由于用户用水等原因造成管线压力降低后，压力低于变频器设定的最低值时，启动变频器“唤醒”功能，重复执行第一步。

3 远传压力表误差分析及解决方案

3.1 存在误差分析

在实际工作中，远传压力表通过管线压力数值与反馈电阻呈线性比例关系。当压力增加时，反馈电阻也同步增加，反之亦然。当压力表上施加恒定直流10V电压时，压力表反馈电阻转换为电压信号，作为变频器反馈的输入调速信号。在运行期间，反馈的压力信号往往存在一定误差，其主要原因主要集中在以下几点：

（1）因反馈信号实际为电压信号，电压信号相较于电流信号极易受到外部磁场的影响，产生不稳定的电压信号，可能对变频器接收到的反馈电压信号产生一定的干扰。

（2）因反馈信号电缆线路较长，电压在电缆内部传输过程中有衰减，造成反馈管线压力信号与实际压力略有差异。

（3）因远传电压表电阻功率较小，通过的额定电流较低，当加在压力表反馈电阻的10V电压极易发热造成电阻阻值升高，甚至发生熔断，使得反馈给变频器的电压信号有较大误差。

3.2 解决方案

由于反馈的电压信号发生波动对控制回路影响较大，应主要从以下措施进行改善：

（1）为了减少线路沿线电磁干扰，应选用带有屏蔽线的信号电缆，且应在其中一端接地。

（2）远传压力表与变频器距离不宜较大，长度易小于20米^[2]。因线路电阻可能造成PID反馈误差，当距离较大时可增加芯线截面积或采用多芯并芯接线来降低线路电阻。

（3）敷设时不宜与动力电缆同路径近距离敷设，最好采用桥架、保护管等敷设方式代替电缆沟或直埋敷设。

（4）可以降低加在远传压力表电阻上的电压，从而降低工作电流，降低其发热量，建议在压力表电阻前串联一根额定电流较大的电阻，使得电压集中在新串联的电阻上。

4 实例应用

4.1 实例

某消防水稳压系统采用Altiar61型低压变频器拖动电动机实现稳压功能，采用变频器内部PID反馈方式。电动机功率为37kW，一开一备。具体要求如下：

（1）现场管线远传压力表量程为0~1.6Mpa，压力表满量程时对应反馈电阻阻值为400Ω。

（2）生产工艺要求控制消防水管线压力维持在0.75Mpa。

（3）当变频器运行频率低于10Hz时，持续60s后可认为系统压力稳定，变频器启动休眠模式，电动机停止运行。

（4）当系统管线压力低于0.70Mpa时，变频器启用“唤醒”模式，重新启动电动机，为管线稳压。

4.2解决方案

（1）为了延长远传压力表使用寿命，降低压力表电阻电流，可在变频器柜处串联阻值为600Ω的电阻，使得加在远传压力表电阻上的电压最高仅为4V，6V加在新增电阻两端。这样，流过压力表电阻上的电流由原来的25mA降低到10mA，大大降低了电阻发热。此时应将变频器内部设定的最高PID值改为：

P=1600bar/4V*10V=4000bar （1）

（2）启动变频器“休眠/唤醒”功能，将变频休眠条件根据要求设定。启动误差设定为50bar，即当变频器休眠状态下，管线压力维持0.7Mpa~0.75Mpa间，变频器维持休眠，当压力低于0.7Mpa时，变频器启动“唤醒”模式，根据压力下降速度，通过对应转速调节管线压力，使之维持在0.75Mpa。

（3）具体Altivar61变频器参数设定表如下：

表1 Altivar61变频器参数设定表

序号	菜单	设定值	说明
1.7 PID调节器（设置变频器内部PID压力量程及恒压设定值、设置反馈的输入通道）
1	PID反馈分配	AI1给定	设定电压PID反馈方式，通道选择AI1
2	PID反馈最小值	0bar	AI1反馈电压最小值，即管线压力为0MPa
3	PID反馈最大值	4000bar	AI1反馈压力最大值，即管线压力为1.6Mpa,反馈电压为4V,10V对应最大反馈压力为P=1600bar/4V*10V=4000bar
4	PID给定最小值	150bar	“内部PID给定”设定值大于本设定值即可
5	PID给定最大值	900bar	“内部PID给定”设定值小于本设定值即可
6	内部PID给定分配	YES	开启恒压PID反馈给定功能
7	内部PID给定	750bar	根据设计压力，要求管线压力0.75Mpa
1.7 睡眠或唤醒（设置低速运行且管线压力恒定时变频器停机，压力低于0.7Mpa重新启动）
8	低速运行超时	60s	当变频器10Hz低速运行30s后停机
9	低速频率	10	当变频器10Hz低速运行30s后停机
10	PID唤醒误差阈值	50	指当变频器低于PID设定值（即750bar）超过0.05Mpa运行时，也就是说运行压力低于0.7Mpa启动唤醒模式，变频器重新上电启动

5 结束语

通过对远传压力表电阻串联一附加电阻，降低了施加在压力表电阻上的电压，从而降低了流过压力表电阻神最大工作电流，降低了电阻发热，延长了压力表的使用寿命。若压力表的使用寿命仍较短，可以继续增加穿入压力表中电阻的阻值，进一步降低流入压力表电阻的电流，其使用寿命可以大大增加。另外，通过变频器内部“休眠/唤醒”模式设置变频器拖动的电动机停机，降低了电动机低速运行能耗，延长了电动机的轴承及本体的使用寿命。

参考文献：

1陈天华，王辛．基于PLC的恒压变频工厂供水系统设计[C]．制造业自动化，2013，35(13)：90～95

2施耐德电气. 施耐德ATV61编程手册 [Z]. 施耐德电气(中国)有限公司 2017. 5