Функцией насосной станции является поддержание заданного давления перекачиваемой жидкости независимо от ее расхода, который может существенно изменяться в зависимости от конкретных условий. Все насосные станции рассчитываются на максимальный расход. В связи с этим требуются средства регулирования, обеспечивающие работу системы при разных расходах.

Наиболее современным является регулирование с помощью преобразователей частоты, которые позволяют плавно регулировать скорость вращения электродвигателя насоса и поддерживать давление в гидросистеме при разных расходах перекачиваемой жидкости. При малых расходах жидкости двигатель насоса вращается с малой скоростью, необходимой только для поддержания номинального давления, и не расходует лишней энергии. При увеличении расхода жидкости преобразователь увеличивает скорость вращения электродвигателя, повышая производительность насоса при сохранении заданного давления. При таком регулировании экономится электроэнергия, а также вода, тепло и повышается ресурс оборудования.

Для осуществления регулирования с использованием преобразователя частоты обычно строится следящая система (рис. 1). На ее вход подаются сигнал задания давления и сигнал реального давления, получаемый с датчика обратной связи. Отклонение между реальным и заданным значениями (D ) преобразуется ПИД-регулятором в сигнал задания частоты для преобразователя. Под воздействием сигнала задания (fi) преобразователь изменяет скорость вращения электродвигателя насоса и стремится привести отклонение между заданным и реальным значением к нулю. Таким образом, давление в системе поддерживается равным заданному и не зависит от расхода.

Современные преобразователи частоты позволяют построить следящую систему без дополнительных аппаратных затрат: они имеют встроенные программные функции, позволяющие реализовывать узел сравнения и ПИД-регулятор. Для реализации следящей системы преобразователю требуется только внешний датчик давления.

Узлом, от которого зависит качество работы следящей системы, является ПИД-регулятор. Именно его структурой определяется точность и устойчивость поддержания заданного давления, а также вид переходных процессов, происходящих в гидросистеме при изменениях расхода.

Настройка этого узла обычно осуществляется программно и зависит от реальных физических параметров гидравлической системы. От точности и правильности настройки ПИД-регулятора зависит качество работы системы, которое в наибольшей степени и определяет экономический эффект.

Работа ПИД-регулятора строится следующим образом. Выходной сигнал состоит из суммы трех составляющих: пропорциональной П, интегральной И и дифференциальной Д (рис. 2). Структура регулятора и параметры каждой составляющей программируются.

Пропорциональная составляющая представляет собой результат умножения отклонения D на коэффициент К, который настраивается программно. При повышении этого коэффициента увеличивается точность и скорость отработки отклонения, но снижается устойчивость системы и возникают колебания.

Для обеспечения точности при сохранении устойчивости в структуру регулятора вводят интегральную составляющую. Она представляет собой результат умножения интеграла ошибки на коэффициент, зависящий от постоянной времени интегрирования t _И. Данная постоянная времени настраивается программно. Введение интегральной составляющей исключает ошибку отработки в установившемся режиме, а время переходного процесса определяется величиной t _И. При большой t _И, время реакции на возмущающее воздействие велико и, если мы хотим быстрее отрабатывать ошибку регулирования, необходимо уменьшать t _И. Однако это может привести к неустойчивости системы.

Для уменьшения времени реакции системы на возмущение с сохранением устойчивости, в структуру регулятора вводят дифференциальную составляющую, которая представляет собой дифференциал отклонения, умноженный на коэффициент, зависящий от постоянной времени дифференцирования t _Д. Постоянная времени настраивается программно. Введение дифференцирующей составляющей вносит демпфирование в систему и повышает ее устойчивость. Чем больше t _Д, тем большее демпфирующее воздействие оказывает эта составляющая на систему.

Правильность настройки ПИД-регулятора влияет на эффективность работы всей системы.

На станции подкачки ПУ «Зеленоградводоканал» был установлен преобразователь частоты фирмы “MITSUBISHI”. Приведенные на (рис. 3) график был сняты во время работы и иллюстрирует процесс регулирования.

В течении суток расход воды меняется почти в 6 раз. Ночью он минимален, а утром и вечером наблюдаются максимумы. За счет плавного регулирования скорости вращения двигателя насоса преобразователь частоты в любых условиях, даже при резком изменении расхода, поддерживает напор в системе постоянным.

Рис. 2. Структура ПИД-регулятора