变频恒压控制在汤河水厂新系列滤池反冲洗中的应用

摘要：本文着重讨论了如何利用变频器实现滤池自动反冲洗，风机稳定可靠运行，供相关工作人员参考和借鉴。

关键词：罗茨风机 反冲洗 开环 闭环

中图分类号：TM344文献标识码： A 文章编号：

一、前言

鞍山市自来水总公司汤河水厂新系列滤池反冲洗要经历三个阶段，即气冲、水冲、气水混合冲三个阶段。气冲、气水混合冲这两个阶段使用的气源通过密封管道由罗茨风机连续、稳定输送。罗茨风机通过三相软启动低压柜控制电动机来驱动。软启动控制柜是开环系统，电机启动后，匀速升到额定转速后始终保持这一转速旋转，罗茨风机输送出固定风量，因此，罗茨风机输出气源的压力无法得到有效地控制。反冲洗气冲结束后要关闭气冲阀门；然后进行水冲，水冲结束后再次打开气冲阀门；进行气水混合冲，气水混合冲结束后关闭气冲、水冲阀门，滤池反冲洗结束，投入运行，然后开始下一个滤池反冲洗。可是，在反冲洗的过程中，每当关闭气冲阀门的时候，我们发现罗茨风机由于过负荷导致软启动控制柜过流跳闸，严重影响了反冲洗的正常进行。为了保证反冲洗的正常进行不得不在气冲、气水混合冲这两个阶段结束后先停止罗茨风机运行，然后再关闭气冲阀门。这样，一个滤池的反冲洗就要反复启动、停止罗茨风机各二次。如果，多个滤池进行反冲洗就需要反复多次的启动、停止罗茨风机才能完成任务。否则，罗茨风机就会过流保护跳闸，停止运行。

二、设备及流程简介

1、滤池反冲洗

为了恢复滤池正常工作所采用的反向水流冲洗滤层的操作过程。过滤池工作一段时间后，由于被截留的污染物穿透滤层，使水质急剧变坏，或由于滤层过滤阻力增大至超过最大允许的阻力，需要利用反向水流对过滤层进行冲洗，从而使滤层再生，滤池重新开始正常工作。（下文简称反冲洗）。

2、罗茨风机

为容积式风机，输送的风量与转数成比例，叶轮端面和风机前后端盖之间及风机叶轮三者之间者始终保持微小的间隙，在同步齿轮的带动下风从风机进风口沿壳体内壁输送到排出的一侧。

3、反馈控制系统

是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。

三、解决方案

软启动控制柜是开环系统，罗茨风机根据转速输送固定风量，它无法有效地控制气冲管道的压力，气冲管道阀门关闭的时候必然造成管道压力升高，直接导致了系统的过负荷，引起控制柜过流跳闸保护。但是，反冲洗依靠频繁启动、停止罗茨风机的方式来实施，对于设备维护和系统运行的可靠性是十分有害的。因此，我们决定采用低压变频器柜代替低压软启动柜控制电动机驱动罗茨风机。建立气冲管道压力反馈控制系统，通过压力变送器实时监测气冲管道压力变化状态，同时将压力值转换成标准的4—20MA信号，并反馈给变频器，变频器通过内置PID比较实际输出值与设定值之间的偏差，调节控制输出达到预期的系统性能，即通过变频器输出频率的变化控制电动机的转速，进而控制罗茨风机输出风量。这种方式采用了气冲管道压力的闭环控制，有效地控制了罗茨风机风量的输出，实现了气冲管道恒压供气。

这种恒压控制方式从根本上解决了使用软启动控制柜驱动罗茨风机进行反冲洗的时候，系统过流保护跳闸；也不需要通过频繁启动、停止罗茨风机来实现反冲洗。多个滤池连续反冲洗的时候，变频控制柜根据气冲管道压力设定值动态调节罗茨风机风量输出值，使管道压力恒定运行。多个滤池连续反冲洗从开始至结束只需启动、停止罗茨风机各一次，从而有效保证了系统运行的可靠性和稳定性，同时也极大的提高了工作生产效率。

下图为汤河水厂新系列罗茨风机变频控制原理图，除实现上述功能外，还具有远程自动控制/本地手动控制切换功能，远程与系统PLC连接可实现自动反冲洗；本地可实现人工反冲洗。参见如下：

四、调试过程

汤河水厂新系列共有三台罗茨风机设备，反冲洗的时候，二台设备陆续启动为滤池充分反冲洗提供稳定、可靠的风量，另一台设备处于热备状态，保证运行设备出现故障的时候随时可以投入使用。

调试问题1：

变频器满频率运行，罗茨风机仍然低速缓慢运行，输出风量根本无法达到反冲洗要求。

我们研究发现，罗茨风机工作原理不同于离心式风机。罗茨风机输出风量与转速成比例，而离心式风机输出风量与转速平方成比例。我们习惯性将变频器输出特性参数（2605）设置成2=SQUARE（适用于风机场合），因此出现上述现象。我们将变频器输出特性参数（2605）设置成1=LINER (适用线性横转矩的场合)，改变参数设置后，罗茨风机恢复正常工作，输出风量满足反冲洗要求。

调试问题2：

罗茨风机启动后迅速达到满负荷运行状态，不跟踪压力设定值，无法实现闭环恒压控制。

我们研究发现，压力变送器输出信号仅有4.64MA左右，对应压力几乎为零，因此，我们怀疑压力变送器损坏，导致压力反馈信号失真，造成罗茨风机控制失控。于是，我们更换了同型号的压力变送器，重新启动罗茨风机，仍然出现上述现象，风机失控原因不是压力变送器损坏造成的。我们重新深入研究了滤池反冲洗压力设定值和滤池气冲管道开口处与池底的实际高差。研究中发现，实际高差仅有0.04Mpa左右，即4米左右，而我们选用的压力变送器的量程为0—1Mpa,远远超出了系统的使用范围，变送器输出信号很小，罗茨风机即使满负荷运行也达不到变频器压力设定值。因此，罗茨风机出现了上述失控现象。我们更换了量程0—0.1Mpa的压力变送器后，罗茨风机恢复正常工作，完全按照变频器压力设定值输送风量，实现了恒压闭环控制。

五、结束语

汤河水厂新系列罗茨风机机组通过变频控制柜改造后，出色的担负起反冲洗工作，为新系列自动反冲洗提供了有效的技术控制保证。

参考文献：

[1] 陈国呈. PWM变频调速技术.机械工业出版社，1998.7

[2] 用户手册. ACS510-01变频器.北京ABB电气传动系统有限公司,2010,8