變頻調速供水電控裝置設計 摘 要 ：本文給出變頻調速供水系統(tǒng)方案設計，采用變頻調速拖動，可以實現(xiàn)無塔上水供水，并給出相關參數(shù)設定和計算方法。變頻調速用于給水系統(tǒng)，可以實現(xiàn)節(jié)能。 關鍵字 ：變頻器 閉環(huán)控制 邏輯繼電器 節(jié)能 在供水系統(tǒng)中，用戶用水量往往是隨機變化的，而投運水泵的臺數(shù)和水泵的轉速不隨用戶水量變化，負荷低峰時將引起電能的浪費，管網壓力大時將損壞管網及其附屬設備，采用變頻調速、微電腦控制器及邏輯控制元件可以達到管網恒壓變量供水。下面以單臺泵控制為例說明。 1 供水一用一備、變頻 /工頻方式 當一臺泵能夠滿足管網最大壓力時，可以采用一臺變頻器控制一臺泵方式工作。 1.1變頻器供水系統(tǒng) 壓力傳感器裝于用戶端管網上，用于檢測用戶端水壓。壓力設定值與所測管網壓力在調節(jié)器中進行比較，其誤差信號作為變頻調速的速度給定。變頻調速器輸出頻率可變的電力給水泵電機， 使水泵轉速相應變化。管網壓力保證了恒定。 1.2 水泵控制主回路 水泵控制主回路見圖二 1.2.1 變頻器的選擇 變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求來進行，泵類負載的轉矩與轉速成平方比，低速下負載轉矩較小，通常可以選擇普通功能型U/f 變頻器。泵類一般運轉方式為連續(xù)型，變頻器容量的計算式如下： PCNKP M COS PCNk3 U MIM10 -3 ICNkI M 式中 PM 負載所要求的電動機的軸輸出功率 KW， 泵用電動機的效率（通常約 0.85） COS 電動機的功率因數(shù)（通常約 0.75） UM 電動機電壓 V IM 電動機電流 A，功頻電源時的電流 K 電流波形的修正系數(shù)（ PWM 方式時取 1.05-1.0） PCN 變頻器的額定容量 KVA ICN 變頻器的額定電流 變頻器的過載能力較小，允許過載時間亦很短，但泵類負載除起動外無瞬時過載問題，變頻器傳動時最大軸功率基本上等于電動機的額定功率。當泵低速運行時，散熱能力變差，但溫升不會有太大變化，對于最大軸輸出功率無影響。 對于交直交變頻器，功率因數(shù)取決于諧 波而不是電容含量。變頻器設計時，如果電網對諧波污染要求比較嚴格，要求變頻器有很高的功率因數(shù)，則根據(jù)產品說明書要求校合電源側電感量，如不滿足則附加電抗器。 如果采用變頻器專用電動機，則可以根據(jù)查表選擇電動機（表由廠家給出），對于青海高原地形，變頻器容量還應乘以約 1.25 系數(shù)，在變頻器位置安放上應考慮環(huán)境溫度與濕度。 1.2.2 空氣開關，接觸器，熱繼電器、導線、外部直流電源選擇 空氣開關的額定電流應大于電動機的額定電流，延時動作的過電流脫扣器的額定電流應為電動機額定電流 1.1 至 1.2倍。瞬時動作的過電流整定值應按大于電動機起動電流的 1.7 至 2.0倍考慮。 接觸器選擇應考慮極數(shù)、額定工作電壓、額定工作電流、接通與分斷能力，都應符合電機要求，所帶附助觸頭應滿足繼電邏輯控制要求。 熱繼電器額定電流應為電動機額定電流的 1.05 至 0.95 倍，在長期過載 20%時應可靠動作，熱繼電器動作時間必須大于電動機起動或長期過載時間。 導線選擇應根據(jù)載流量及鋪設方式定。一般根據(jù)青海氣候及廠內土壤、地形及周圍管網情況，取系數(shù) 0.85。 1.3 微電腦選擇 恒壓供水系統(tǒng)實際上是一個單閉環(huán)系統(tǒng)，微電腦控制器實際上是一個外置 PID 控制器，輸出信號 4 20mA，給定信號 4 20mA，反饋信號同上。利用變頻器內部 PID，可以省掉調節(jié)器，壓力傳感變送器信號直接輸入到變頻器內。相應接線端子見變頻器操作手冊。也可外置 PID 調節(jié)器，如川儀 GTZ 2100。 1.4壓力傳感器 選用 HS950型合金薄膜變送器，二線 4 20mA 輸出，測量范圍0.2 至 0.8Mpa，電源 24V。 1.5直流電源選擇 選擇 KW1-24，輸出 24V， 33A，或 S-15-24，輸出 24V。直流電源供給壓力傳感器、微電腦控制器。因為壓力傳感器與微電腦控制器的視在功率很小，也可以選用 PLC 的 24V 直流輸出端供電， 1.6給定信號的產生 給定信號采用電位器 RX-5，外部電源 24V，或者采用變頻器提供電源，以上都可輸出 4 20mA 控制電流。根據(jù)設定壓力產生的電流信號確定給定值。 2 邏輯 繼電設計 通過繼電器可以作到工頻、變頻轉換（ KM0），一備一用（ KM1 4），參見相關圖集。也可以選擇 I/O 點數(shù)為 20點的 PLC 實現(xiàn)邏輯控制及信號指示與報警， PLC的梯形圖由相關圖集中所列邏輯關系移植過來，簡單方便。結合變頻器的相關繼電輸出口就能實現(xiàn)技術要求。 系統(tǒng)起動后，若 1#泵速度升至最大時用戶端管網壓力仍未達到設定值， 2#泵起動并全速運行。若壓力超過設定值，變頻器調節(jié) 1#泵速度使壓力恒定。若壓力升高到一定值，變頻器頻率已減小至最低，則可以讓 2#泵退出。為了達到此目的，利用變頻器的繼電器輸出功能，當頻率大于設定值時，繼電器輸出，接通繼電邏輯回路，控制第二個電動機起動，退出情況與此相反。例如使用 SEMENS的MICROMASTER VECTOR 操作手冊 P41所列功能。 此外，三墾公司獨有的恒壓供水基板 IWS備有 “ 變頻泵固定方式 ” 、 “ 變頻泵循環(huán)方式 ” 兩種模式。無須 PID、 PLC 就可構成最多7 臺泵的高性能、又經濟的供水系統(tǒng)。（ SAMCO-IHF、 IPF變頻器）。 3 變頻器參數(shù)設置及調節(jié)器參數(shù)設置 3.1 變頻器參數(shù)設置 變頻器參數(shù)設置 如下：最大頻率 50HZ，最小 0HZ，基本頻率 50HZ，額定電壓 380V，總加速時間 15S，減速時間 15S，電動機平滑起動，電子熱保護 1.05，轉矩限制 1.5，瞬停再起動功能有，轉矩矢量控制無，其余功能遵照變頻器出廠設定。調節(jié)器參數(shù)設定如下： 由于被控對象模型復雜，管網恒定值要求不高， PI 參數(shù)確定時，可先不考慮管網的影響（管網波動，水流變化的滯后），忽略起動最初影響，忽略壓力測量變送器的滯后環(huán)節(jié)，因為變頻器與電動機的開環(huán)機械特性與直流機的開環(huán)特性非常接近，所以把變頻器與泵用電動機看做一個和直流電動 機功率一樣的電動機，基于此可以方便確定KP 、 TS，是一個二階系統(tǒng)，由此可定系統(tǒng)圖。 另外， TS ， KP的確定可以由實驗取得，做變頻器電動機的階躍響應曲線辯識過程數(shù)學模型，可以認為是一個二階慣性環(huán)節(jié)，是一個自衡對象。就可以求得這兩個參數(shù) ,得出系統(tǒng)圖如下，可以初略算出 K 、 。 T1， T2為變頻器起動上升時間， KP為信號放大倍數(shù)。 系統(tǒng)原理圖如下： 原理圖中相關參數(shù)： =0.01 mA/r/min （電動機為 1500r/min） 。 當 PI 參數(shù)計算取得后，在實際調試過程中，應根據(jù)所帶負載進行調整，可先使泵空載運行，改變給定值，如果系統(tǒng)穩(wěn)定，再使水泵帶載運行調整，使系統(tǒng)穩(wěn)定并有一定的靈敏度。 4，變頻調速控制柜的設計 變頻調速柜一般柜面有電流電壓指示，電能計量，工況運行指示，工況運行控制按鈕。如果變頻器功率小 ,體積小，可以把變頻器與控制元件裝在一個 柜內，柜體體積為通用柜尺寸，根據(jù)控制柜所處環(huán)境，柜體的防護等級為 IP54。 5，恒壓供水成套裝置 變頻調速供水成套供應的公司現(xiàn)在也非常多， CPS 系列（三墾公司）， LBP 系列（上海連成）等。定貨時只要給出要求即可。一般參數(shù)要求為：電動機功率，水泵臺數(shù)，控制特征，柜體特征，附加功能等。 6，變頻調速供水的節(jié)能分析 當前給水工程中應用的變頻調速裝置，根據(jù)控制方式不同，有恒壓變量與變壓變量之分。對于恒壓變量供水來說（圖 1），從工作點從 A 變到工作點 B， HA/HB=1,水泵軸功率按下式計算： N= gQH/ 水的密度， Kg2/m3; g 重力加速度， m/s2； 水泵效率。 N 水泵的軸功率， Q 管網流量， H 水泵揚程。 由于 A， B 為非相似工況點，轉速的降低將導致水泵效率下降。對于恒壓變量供水來說，當系統(tǒng) Q =0.8Q 時， N =gQ H / =g0.8QH/ 0.8N 即當水泵流量減小 20%時，節(jié)能小于 20%，這取決于水泵的效率與轉速的關系。 如果水系統(tǒng)是變壓變量供水， HA/HB= SQA2/SQB2= QA2/QB2， NQ 3，則節(jié)約能 量為 51%左右。 變頻器的輸入功率因數(shù)比較高，根據(jù)電源側的電抗情況，加入交流電抗器或直流電抗器，可以使變頻器的功率因數(shù)達到 0.92 以上，與泵用電動機的功率因數(shù) 0.85左右相比，節(jié)約電能也非常可觀。 7，結論 采用恒壓供水，水泵起動為軟起動，對電網影響小，可以減小變