污水提升泵变频调速的非线性控制系统

王家松，汪晓?
（中山市供水总公司，广东中山528403）

　　摘要：介绍了在某污水提升泵站采用的一种非线性反馈变频调速系 统，该系统具有结构简单，运行可靠，节电效果显著等特点。?
　　关键词：变频调速；非线性；自动控制；污水泵站?
　　中图分类号：TU99225
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)07-0040-02

　　污水加压泵站设置四台AS潜水排污泵，电机功率均为85kW，电压380V。原设计中选用了一套KF—90K—308型高性能大功率变频器，对其中一台水泵电机进行调频调速。它根据污水池的水位，通过改变排污泵电动机供电电源的频率来调整排污泵的转速，从而控制排水量，因而变频必须受到水位反馈信号的控制，以构成水位自动控制系统。?
　　常用的闭环控制方案是采用线性反馈控制系统。这种系统虽然能够实现恒液位自动控制，但 是存在以下不足：①成本高，这是由于线性液位(压力)传感器及调节器价格昂贵；②可靠性低，由于线性液位(压力)传感器必须沉入水底且与水充分接触才能测量到水的高度(或压力)，因此传感器的测量孔被泥沙堵塞而容易产生测量误差，致使被控水位偏离期望值；③现场调试复杂，被控对象的非线性和大惯性因素给调节器的参数配置带来了困难，有可能影响系统的稳定性和动态性能。总之,对于这样一个非线性、大惯性过程采用线性反馈控制是不合理的，在经济上不合算，在性能上不优越，而且调试不方便。
　　现介绍该污水提升泵站所设计的一种结构简单、运行可靠、成本低廉的 非线性反馈变频调速系统，成功地克服了线性反馈控制存在的问题。在该系统中，采用日本生产的变频器控制泵电动机，通过一套液位传感器构成非线性反馈控制系统，将水位控制在极限环内。?
　　在污水池内安装一套液位传感器，它可以测量4个液位(如图1)。?

　　常运行时水位将在2SL和3SL之间波动，当有大扰动时1SL或4SL实现运行频率自整定和水位 报警功能，该液位传感输出信号被输送到电气控制单元，实现继电器型非线性反馈特性，并与变频器控制端子相结合，形成非线性反馈四级水位控制系统(见图2)。

　　所采用高性能大功率变频器的主电路中采用了带有驱动电路和电流保护、温度保护等电路的 电力半导体开关器件IPM(智能化功率模块)，而在基础控制电路中则采用了高速32位的RISC( 精简指令微处理器)来作为CPU，并采用了超密度的LSI(大规模集成电路)，其主要特点是： 调速范围大，调速精度高、效率高，功率因数高，输出电流波小，输入侧对电网污染小，参数设置方便、保护功能齐全；有过压、欠压、过流、过载、短路、过热、电源缺相等保护功能；具有故障自诊断功能。另外该变频器还具有多速设置功能，而且各级速度均可任意设置。?

1 工作原理

　　根据电动机变频调速的原理可知，异步电动机的同步转速n₀与电源频率f₁成正比，所以改变了f₁就改变了n₀而实现调速。从流体力学知道，流量与转速的一次方成正比，功率与转速的3次方成正比：?
? n′=n(f′/f)? 　　　(1)?
? Q′=Q(n′/n)²?　　　(2)?
? N′=N(n′/n)³?　　　(3)?
　　根据工艺提供的水位(该水位以城市的最大、最小污水量，涵洞的深度、容积，排污泵流量 等因素而确定)，分别用1SP、2SP、3SP和4SP表示设定的四级速度，与之对应的频率值分别是368z(40%Pe)、422z(60%Pe)、464z(80%Pe)和50z(100%Pe)。水位及变频器运行频率的对应关系见表1。

　　该控制系统工作原理描述如下：在正常情况下，水位在2SL和3SL限定的极限环内波动，变频器的输出频率在422_Hz。当污水水位增加到超过高水位时，变频器自动调节至输出频率为46.4_Hz。若高水位持续时间超过设定时限T₁仍然未下降回落到正常的极限环内，则自动投入一号工作泵，此后若高水位仍持续不下(经T₂时限)，系统便自动投入二号工作泵。若水位继续增长达到超高水位，变频器输出频率自动调整到50_Hz，并发出 超高水位报警信号。当水位回落并脱离超高水位，变频器输出频率自动下调，控制水位在正常极限环内。若水位继续下降偏离正常工作环时，变频器输出频率下调至368_Hz，同时二号工作泵退出 运行。若低水位持续时间超过设定时限T₃，一号工作泵相继退出。如果出现超低水位， 变频器泵也退出运行并发出超低水位报警信号。当水位扰动消失，水位恢复到正常极限环内 时，报警信号自动切除。该控制系统的主要特点是：
　　①适合于数学模型不清楚或大惯性、非线性被控过程的控制。
　　②结构简单，成本低廉，传感器及控制单元分别采用浮球液位控制器和继电器组成，易于实现。
　　③可靠性高，抗干扰能力强，浮球控制器不受污水中杂物的影响，也不受腐蚀，所有输入 、输出信号不易受干扰。
　　④具有显著的节电效果。?
　　⑤具有参数自整定功能。?
　　本设计将先进的变频技术应用于污水提升自动控制领域，符合城市供水行业2000年技术进步 发展规划，是建设部及国家计委节能办推广项目。

　　2 实际运行结果?

　　系统已于1998年5月投入实际运行。运行结果证明，该系统使用方便、安全可靠、功率因数高、已超前运行，具有十分显著的节电效果。根据系统在手动控制方式下的运行记录，变频器工作在368_Hz的时间是8h、工作在422_Hz的时间是75h，工作在50_{H z}的时间是75h、停机的时间是1h。该系统尽管一次性投资较大，但由于节电效果十分显著(每年可节电约200000kW·h)，一年之内便可收回投资。
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电话：(0760)8312969×162 013702464537?
传真：(0760)8326429?
收稿日期：2000-02-15