0 前言
目前恒压供水系统在我国自来水供应控制和工业水处理中得到了广泛的应用，该系统具有以下优点：(1)保持供水的水压恒定，满足用户或工业中其他生产设备的要求，能随用户用水的多少或生产设备环境的改变自动调节供水装置，达到水压恒定。(2)减少传统供水装置中的电动机频繁起、制动对电网电压带来的冲击，减少对电网的干扰。(3)减少电动机起动时对水泵的机械设备带来的冲击，延长设备的寿命。(4)利用传感器进行检测，采用PLC进行控制，实现自动化，同时减少传统供水装置的有触点数量，减少故障率。(5)具有手动和自动选择功能及工作电动机与备用电动机选择功能，提高了所有设备的利用率，延长了系统的使用府命。
现以3台55kW电动机，需保持0—1MPa水压可凋为例介绍恒压供水装置的组成和控制原理。
1 装置的组成
恒压供水装置电气设备由PLC、变频器、压力传感器、电动机组成。
系统的控制核心是PLC采集压力传感器的信号，变频器的运行状态，接触器和热继电器的状态，并接收操作指令，输出控制信号给变频器和接触器。若将PLC连于工业以太网上，操作员可以在上位机上改变需要保持的压力或随现场设备的运行情况自动控翩水压。
系统的主要执行部分是变频器与接触器。变频器足保证恒压的执行者，它能实现无级调速，这是恒压供水的前提。变频调速最显著的优点是节约能量。当一个电动机长期运行在低速时，若采用串级或涡流调速，则从电网中消耗的能量不变。而是将多余的能量以热能的形式消耗掉。而变频调速则是按负载的形式直接调节频率与电压，从而减少从电网中所吸收的能量。同时恒压供水的负载是流体，控制流体所需的能量与流体的速度的三次方成正比，改变电动机的频率来控制流体的流速远比采用阀门控制流速节约成本。接触器是除变频器以外的主要执行者，为了节约装置的成本，当某个电动机长期运行在50 l{z以下时，可以将其直接接人工频，而不采用变频器，这样3台55 kW的电动机只需1台变频器就可以实现恒压控制，从而减少了变频器的数量，达剜节约成本的目的。
2 控制原理
要实现恒压，其关键部分足PLC中的PI调节器和变频器，下面介绍PI调节器和变频器的工作原理。系统组成框图如图1所示。
2.1 PI调节器
PI调节器的工作原理如图2所示。
输出与输人的关系为：
U0=-i3(R2+1/C∫dT) (1)
由于运算放大器为差动输入电路，其输入阻抗可以近似为*，所以运算放大器的输入电流i0≈O，输入端电压u≈O，由此得：
I3=i1+i2 (2)
I1=ui/R1 (3)
I2=uf/R1 (4)
综合式(1)、(2)、(3)、(4)得到：
U0=-(ui-uf)(R2/R1+1/R1C∫dt) (5)
PI调节器的工作过程为：当输入电压突然加上时，电容C相当于短路，这时便是一个比例调节器。因此，输出量产生一个立即响应输出量的跳变，随着对电容的充电，输出电压逐渐升高，这时相当于一个积分环节。从式(5)中可知，当输入不为零时，其输出u0将线性向上增，直到达到限幅值。若要u0不在限幅值上，则必须使ui与uf大小相等，相位相差180°，这样就能稳定输出。当输入ui=1(波形如图3所示)其输出u0波形如图4所示，利用PI调节器的原理，我们可以将所需要稳定的系统压力信号(电压)接至ui端，将压力反馈信号(电压)接至uf端，输出信号u0作为变频器的给定值。
2.2 变频器
变频器通常由功率元件与控制两部分组成，变频器的主回路如图5所示。
目前，全世界所有的变频器(除特殊应用和中压变频外)几乎都是交一直一交变频。其中整流侧有两种：一种是三相桥式硅整流、一种是三相半控桥式整流。目前世界上出现了直流侧“三电平技术”，这种技术就要求整流侧必须采用三相半控桥式整流。直流部分通常有一个大的滤波电容，使直流侧电压尽量平稳。直流侧通常会带有制动元件，这是当电动机运行在超同步状态下时能量回馈至直流侧，引起直流电压升高，当直流侧电压超过一定值时，制动元件将吸收多余的能量，使直流侧电压趋于稳定，从而保护功率元件。几乎所有的变频器厂家在逆变侧均采用IGBT元件。从变频器的工作原理可以看出，逆变出来的电压与电流波形都不是标准的正弦渡，而是存在大量的奇次谐波，为了减少奇次谐波对电动机的影响，所以在变频器与电动机之间通常有滤波器，如：电抗器、LC滤波器。由于电网通常受大功率元件的起制动的干扰，其波形往往不规则，为了减少电网对变频器的影响，通常在变频器的输入侧也有滤波器。
变频器的控制方式大体有以下几种方式：v/f标量控制方式、磁通矢量控制方式、DTC直接力矩控制方式。对于水泵来说，一般采用磁通矢量控制方式。下面分析变频器的磁通矢量控制方式原理：
众所周知，交流电动机有三个绕组，三个绕组在空间上的固定方式使电动机具有一定的极数，在这三相绕组中通过互差120°电角度的交流电，在电动机定子中形成一个旋转的磁场，电动机的转子将以一定的转差与旋转磁场同向旋转。磁通矢量控制方式是以产生相同的旋转磁场为目的，将其控制方式模拟成直流电动机，将通过交流电动机的电流合成两部分(3/2合成)，模拟成直流电动机的励磁和电枢进行控制，然后分解(2/3分解)成三相，控制交流电动机。这种控制方式的显著特点是在低频时具有较高的输出转矩。
变频器的控制回路与直流调速有一定的相似之处，也有速度环、电流环、力矩环。每个环节均采用PID调节器，这样既可以提高响应速度，实现无进差，同时还可以减少滞后。与直流调速不同的是，它的所有信号均为矢量。对于大多数的变频器均自带有PI调节功能，这时，相当于在控制回路的给定部分增加了一个PI调节器。但是，在做恒压供水时，尽量不要用变频器本身的PI调节器，因为变频器本身所产生的电磁干扰就很大，若使用变频器本身的Pl调节器，这时给定信号和反馈信号都必须接到变频器上，而大多数变频器一般只有一个4—20mA的模拟输入口，若使用0～10V信号作为给定，则变频器本身所带来的干扰就会使变频器无法稳定运行。若变频器本身带有两个4—20mA的模拟输入口，则可以利用变频器本身的PI调节器。
目前，工业以太网和现场总线得到了广泛的应用。所以.最好的消除变频器干扰给装置带来影响的办法是采用现场总线控制方式。也就是说在PLC和变频器上分别配置通信卡，如Profibus、Modhus、MB+、DeviceNet.使用这种方式可以将PI调节做在PLC中，而压力传感器的反馈信号接到变频器上，这样可以减少PLC的模拟输入模块。而且装置运行也会相当稳定。
3 恒压供水装置的控制原理
下面依据图6对恒压供水的原理进行分析
图中，Ql为总进线空气开关，当设备检修时起到隔离没备的作用，同时还对设备起到过流短路等保护作用。KM1为总进线接触器，它控制整个设备的起停。FU为快速熔断器，主要用来保护变频器整流侧的二极管和晶闸管。RT1是进线电抗器。主要用来防止电网电压的波动对变频器带来的不利影响。RT2是出线电抗器，用来减少变频器的输出电压和电流中的奇次谐波对电动机的影响。KM2-KM7是用来将电动机的工作电源在变频器与工频电源之间进行切换的。GJl-GJ3是过流继电器，分别用来保护各自的电动机。
操作工首先选择工作泵(如M1)和备用泵(如M2和M3).然后发出启动命令，并将所要达到的压力输入给PLC。PLC检测变频器的状态，所有热继电器的状态和接触器的状态具备启动条件后，就输出命令启动工作泵。具体启动过程如下：(M1
为工作泵)
(1)吸合接触器KM3。
(2)PLC检测KM3吸合后，再吸合KMl。.
(3)PLC检测KMl吸合后，发出启动命令给变频器，这时Ml泵作为调节泵运行。
(4)PLC检测变频器“工频运行”5 min后，发出停止命令给变频器。
(5)0.5 s后断开KM3和10,11。
(6)PIE检测KM3和KMI断开后，再吸合KM2。
(7)PLC检测KM2吸合后，再吸合KM5。
(8)PLC检测KM5吸合后，再吸台KM1。
(9)PLC检测KM1吸合后，发出启动命令给变频器，这时M2泵作为调节泵运行。
(10)PLC检测变频器“工频运行”5 min后，发出停止命令给变频器。
(11)0.5 s后断开KM5和KMl。
(12)PLC检测KM5和KM1断开后.再吸合KM4。
(13)PLC检测KM4吸合后，再吸合KM7。
(14)PLC检测KM7吸合后，再吸合KM1。
(15)PLC检测KM1吸合后，发出启动命令给变频器。这时M3泵作为调节泵运行。
需要注意的足：(1)当第4步条件不满足时，则从第4步至15步均不执行，当第10步条件不满足时。则从第l0步至16步均不执行。(2)当选择M2为工作泵时，则第l备用泵为M3，第2备用泵为Ml，当选择M3为丁作泵时，则第1备用泵为M1，第2备用泵为M2。(3)变频器不能在运行状态下合接触器。(4)变频器的停车方式必须是自由停车。(5)每个泵的出水口必须配有止回阀。
4 结束语
恒压供水集中了PLC的可编程的优点，PI调节器的无静差原理和变频器的无级调速的特点，在流体控制(水流)中起到了大大的节约能源的作用。它的应用将会越来越广泛。
