XXX变频调速供水电控装置设计论文

变频调速供水电控装置设计 摘 要 ：本文给出变频调速供水系统方案设计，采用变频调速拖动，可以实现无塔上水供水，并给出相关参数设定和计算方法。变频调速用于给水系统，可以实现节能。 关键字 ：变频器 闭环控制 逻辑继电器 节能 在供水系统中，用户用水量往往是随机变化的，而投运水泵的台数和水泵的转速不随用户水量变化，负荷低峰时将引起电能的浪费，管网压力大时将损坏管网及其附属设备，采用变频调速、微电脑控制器及逻辑控制元件可以达到管网恒压变量供水。下面以单台泵控制为例说明。 1 供水一用一备、变频 /工频方式 当一台泵能够满足管网最大压力时，可以采用一台变频器控制一台泵方式工作。 1.1变频器供水系统 压力传感器装于用户端管网上，用于检测用户端水压。压力设定值与所测管网压力在调节器中进行比较，其误差信号作为变频调速的速度给定。变频调速器输出频率可变的电力给水泵电机， 使水泵转速相应变化。管网压力保证了恒定。 1.2 水泵控制主回路 水泵控制主回路见图二 1.2.1 变频器的选择 变频器类型的选择要根据负载的要求来进行，泵类负载的转矩与转速成平方比，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型U/f 变频器。泵类一般运转方式为连续型，变频器容量的计算式如下： PCNKP M COS PCNk3 U MIM10 -3 ICNkI M 式中 PM 负载所要求的电动机的轴输出功率 KW， 泵用电动机的效率（通常约 0.85） COS 电动机的功率因数（通常约 0.75） UM 电动机电压 V IM 电动机电流 A，功频电源时的电流 K 电流波形的修正系数（ PWM 方式时取 1.05-1.0） PCN 变频器的额定容量 KVA ICN 变频器的额定电流 变频器的过载能力较小，允许过载时间亦很短，但泵类负载除起动外无瞬时过载问题，变频器传动时最大轴功率基本上等于电动机的额定功率。当泵低速运行时，散热能力变差，但温升不会有太大变化，对于最大轴输出功率无影响。 对于交直交变频器，功率因数取决于谐 波而不是电容含量。变频器设计时，如果电网对谐波污染要求比较严格，要求变频器有很高的功率因数，则根据产品说明书要求校合电源侧电感量，如不满足则附加电抗器。 如果采用变频器专用电动机，则可以根据查表选择电动机（表由厂家给出），对于青海高原地形，变频器容量还应乘以约 1.25 系数，在变频器位置安放上应考虑环境温度与湿度。 1.2.2 空气开关，接触器，热继电器、导线、外部直流电源选择 空气开关的额定电流应大于电动机的额定电流，延时动作的过电流脱扣器的额定电流应为电动机额定电流 1.1 至 1.2倍。瞬时动作的过电流整定值应按大于电动机起动电流的 1.7 至 2.0倍考虑。 接触器选择应考虑极数、额定工作电压、额定工作电流、接通与分断能力，都应符合电机要求，所带附助触头应满足继电逻辑控制要求。 热继电器额定电流应为电动机额定电流的 1.05 至 0.95 倍，在长期过载 20%时应可靠动作，热继电器动作时间必须大于电动机起动或长期过载时间。 导线选择应根据载流量及铺设方式定。一般根据青海气候及厂内土壤、地形及周围管网情况，取系数 0.85。 1.3 微电脑选择 恒压供水系统实际上是一个单闭环系统，微电脑控制器实际上是一个外置 PID 控制器，输出信号 4 20mA，给定信号 4 20mA，反馈信号同上。利用变频器内部 PID，可以省掉调节器，压力传感变送器信号直接输入到变频器内。相应接线端子见变频器操作手册。也可外置 PID 调节器，如川仪 GTZ 2100。 1.4压力传感器 选用 HS950型合金薄膜变送器，二线 4 20mA 输出，测量范围0.2 至 0.8Mpa，电源 24V。 1.5直流电源选择 选择 KW1-24，输出 24V， 33A，或 S-15-24，输出 24V。直流电源供给压力传感器、微电脑控制器。因为压力传感器与微电脑控制器的视在功率很小，也可以选用 PLC 的 24V 直流输出端供电， 1.6给定信号的产生 给定信号采用电位器 RX-5，外部电源 24V，或者采用变频器提供电源，以上都可输出 4 20mA 控制电流。根据设定压力产生的电流信号确定给定值。 2 逻辑 继电设计 通过继电器可以作到工频、变频转换（ KM0），一备一用（ KM1 4），参见相关图集。也可以选择 I/O 点数为 20点的 PLC 实现逻辑控制及信号指示与报警， PLC的梯形图由相关图集中所列逻辑关系移植过来，简单方便。结合变频器的相关继电输出口就能实现技术要求。 系统起动后，若 1#泵速度升至最大时用户端管网压力仍未达到设定值， 2#泵起动并全速运行。若压力超过设定值，变频器调节 1#泵速度使压力恒定。若压力升高到一定值，变频器频率已减小至最低，则可以让 2#泵退出。为了达到此目的，利用变频器的继电器输出功能，当频率大于设定值时，继电器输出，接通继电逻辑回路，控制第二个电动机起动，退出情况与此相反。例如使用 SEMENS的MICROMASTER VECTOR 操作手册 P41所列功能。 此外，三垦公司独有的恒压供水基板 IWS备有 “ 变频泵固定方式 ” 、 “ 变频泵循环方式 ” 两种模式。无须 PID、 PLC 就可构成最多7 台泵的高性能、又经济的供水系统。（ SAMCO-IHF、 IPF变频器）。 3 变频器参数设置及调节器参数设置 3.1 变频器参数设置 变频器参数设置 如下：最大频率 50HZ，最小 0HZ，基本频率 50HZ，额定电压 380V，总加速时间 15S，减速时间 15S，电动机平滑起动，电子热保护 1.05，转矩限制 1.5，瞬停再起动功能有，转矩矢量控制无，其余功能遵照变频器出厂设定。调节器参数设定如下： 由于被控对象模型复杂，管网恒定值要求不高， PI 参数确定时，可先不考虑管网的影响（管网波动，水流变化的滞后），忽略起动最初影响，忽略压力测量变送器的滞后环节，因为变频器与电动机的开环机械特性与直流机的开环特性非常接近，所以把变频器与泵用电动机看做一个和直流电动 机功率一样的电动机，基于此可以方便确定KP 、 TS，是一个二阶系统，由此可定系统图。 另外， TS ， KP的确定可以由实验取得，做变频器电动机的阶跃响应曲线辩识过程数学模型，可以认为是一个二阶惯性环节，是一个自衡对象。就可以求得这两个参数 ,得出系统图如下，可以初略算出 K 、 。 T1， T2为变频器起动上升时间， KP为信号放大倍数。 系统原理图如下： 原理图中相关参数： =0.01 mA/r/min （电动机为 1500r/min） 。 当 PI 参数计算取得后，在实际调试过程中，应根据所带负载进行调整，可先使泵空载运行，改变给定值，如果系统稳定，再使水泵带载运行调整，使系统稳定并有一定的灵敏度。 4，变频调速控制柜的设计 变频调速柜一般柜面有电流电压指示，电能计量，工况运行指示，工况运行控制按钮。如果变频器功率小 ,体积小，可以把变频器与控制元件装在一个 柜内，柜体体积为通用柜尺寸，根据控制柜所处环境，柜体的防护等级为 IP54。 5，恒压供水成套装置 变频调速供水成套供应的公司现在也非常多， CPS 系列（三垦公司）， LBP 系列（上海连成）等。定货时只要给出要求即可。一般参数要求为：电动机功率，水泵台数，控制特征，柜体特征，附加功能等。 6，变频调速供水的节能分析 当前给水工程中应用的变频调速装置，根据控制方式不同，有恒压变量与变压变量之分。对于恒压变量供水来说（图 1），从工作点从 A 变到工作点 B， HA/HB=1,水泵轴功率按下式计算： N= gQH/ 水的密度， Kg2/m3; g 重力加速度， m/s2； 水泵效率。 N 水泵的轴功率， Q 管网流量， H 水泵扬程。 由于 A， B 为非相似工况点，转速的降低将导致水泵效率下降。对于恒压变量供水来说，当系统 Q =0.8Q 时， N =gQ H / =g0.8QH/ 0.8N 即当水泵流量减小 20%时，节能小于 20%，这取决于水泵的效率与转速的关系。 如果水系统是变压变量供水， HA/HB= SQA2/SQB2= QA2/QB2， NQ 3，则节约能 量为 51%左右。 变频器的输入功率因数比较高，根据电源侧的电抗情况，加入交流电抗器或直流电抗器，可以使变频器的功率因数达到 0.92 以上，与泵用电动机的功率因数 0.85左右相比，节约电能也非常可观。 7，结论 采用恒压供水，水泵起动为软起动，对电网影响小，可以减小变