變頻恒壓供水系統(tǒng)設計及變頻器選型

1、變頻恒壓供水系統(tǒng)設計及變頻器選型該系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、PLC、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設計任務是利用PLC使變頻器循環(huán)控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。本文主要提出一種基于PLC與變頻調速的恒壓供水系統(tǒng)的設計方案，并對此進行詳細的說明與研究。方案選?。焊鶕到y(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用場所，選擇下述方案：變頻器+PLC+人機界面+壓力傳感器。這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數據交換：通用性強，由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控

2、制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。一、 變頻恒壓供水的目的對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結底，是為了滿足用戶對流量的需求。所以,流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，但揚程難以進行具體的測量和控制?？紤]到在動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由供水流量QG表示）和用水需求（由用水流量QU表示）之間的平衡情況有關：如供水能力QG

3、用水需求QU，則壓力上升（P）；如供水能力QG 用水需求QU，則壓力下降（P）；如供水能力QG 用水需求QU，則壓力不變（P = const）；可見，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達到的目的。二、 供水系統(tǒng)分析1.水泵特性分析離心泵特性曲線的公式為P=K1QH （1）轉速與泵機流量、揚程之間的關系如下：Q=K2n （2）H=K3n2 （3）由式（1）、式（2）、式（3）得P=K4n3 （4）P/Q=K5n2 （5）式中，K1、K2、K3、K4、

4、K5為常數；P為泵機軸功率；Q為泵機流量；H為泵機揚程；n為泵機轉速。式（4）說明泵機軸功率與轉速的立方成正比，若設法降低轉速，就可以減小泵機軸功率。式（5）說明單位時間內，排放每立方米水能耗與轉速立方成正比，這說明在達到實際供水流量前提下，轉速越小，功耗就越小。2.電動機特性分析從公式（1）、公式（2）、公式（3）可以得出水泵如下關系：Q1/Q2=n1/n2（6）H1/H2=（n1/n2）2（7）P1/P2=(n1/n23（8）式中，Q1、H1、n1分別為轉速為n1時的流量、揚程、功率；Q2、H2、n2分別為轉速為n2時的流量、揚程、功率。由此看出，水泵的流量、揚程、功率均與轉速成正比，改變

5、水泵轉速即可達到改變水泵工作參數的目的。而帶動水泵的交流異步電動機轉速為n=60f（1s）/p （9）式中，f為電源頻率；p為磁極對數；s為轉差率。由式（9）可以看出，通過改變電源頻率f、改變磁極對數p或轉差率s可以實現交流電動機的調速。當前變頻電源頻率多根據供水系統(tǒng)壓力數值的大小變化，通過感應傳感器把壓力數據送到變頻器，形成一個閉環(huán)控制回路，實現調節(jié)電源頻率功能，即動態(tài)地改變電動機轉速，從而達到調節(jié)水泵轉速，調節(jié)流量的目的。一般情況下，供水系統(tǒng)水壓力設定為恒值，該值即為管網壓力系統(tǒng)中最大值，為維持這一恒壓，水泵通過變頻電源頻率變化改變轉速來保持這一壓力。供水系統(tǒng)中用戶使用流量越大，其系統(tǒng)中壓

6、力下降越大，電源頻率則要求越高，導致水泵轉速越大，其出水流量也越大，反之，出水流量則越小。三、 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構成與工作過程1. 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖如下：由圖可知，變頻器有兩個控制信號：（1）目標信號XT。即給定端VRF上得到的信號，該信號是一個與壓力的控制目標相對應的值，通常用百分數表示。目標信號由鍵盤直接給定，通過PLC給定到VRF上。（2）反饋信號XF。是壓力變送器SP反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。2. 系統(tǒng)的工作過程現在的變頻器一般都具有PID調節(jié)功能，其內部框圖如圖中虛線框所示。XT和XF兩者是相減的，其合成信號XD=（XT-XF）經過PID調節(jié)處理后得到頻率

7、給定信號，決定變頻器的輸出頻率X。當用水流量減小時，供水能力QG大于用水流量QU，則壓力上升，XF則合成信號（XT-XF）則變頻器輸入頻率fx則電動機轉速nX則供水能力QG直至壓力大小回復到目標值、供水能力與用水流量重又平衡（QG=QU）時為止；反之，當用水流量增加，使QGQU時，則XF則（XT-XF）則X則nX則QG則QG=GU，又達到新的平衡。3. 變頻與工頻切換過程的詳細分析在多泵供水系統(tǒng)中，常常采用有一臺變頻器控制多臺水泵的方案。通常稱為“一拖X”，本系統(tǒng)為一臺變頻器控制三臺水泵，而且只對其中一臺泵進行變頻調速，其余泵則恒速運行，這種方法會降低一些效率，但能夠提供全流量范圍的調節(jié)，投資

8、最省，也是很常見的方式。只對一臺泵調速的多泵恒壓供水系統(tǒng)，有兩種不同的實現方式，即將調速泵和恒速泵固定設置的定變兩泵恒壓供水方案，以及各泵輪換調速的循環(huán)軟啟動恒壓供水方案，兩者特點不盡相同，本設計采用后者，其有一下幾個優(yōu)點：一個是循環(huán)運行方式有利于各水泵的機械磨損均勻，使用壽命彼此相當；另一個是利用了變頻器實現了水泵的軟起動，在水泵功率較大時對降低電網沖擊有利；再一個是其節(jié)約成本，投資少。但循環(huán)軟啟動方式的主要缺點是切換控制復雜，切換順序不能出錯，否則變頻器很可能會受到損壞。因此，必須嚴格要求其切換的動作順序。切換的動作順序依次為：變頻器自由停車延時斷開1KM2，使電動機脫離變頻器經適當延時后

9、合上1KM3，將電動機接至工頻電源接通二號泵變頻回路接觸器2KM2延時接通變頻器運行指令。這里，第一個延時的目的是躲過電動機剩磁時間，以保證接觸器斷開時已經沒有負載電流，大約需要0.3至0.6s；由于在變頻器的輸出端是不允許與電源相接的，因此，接觸器KM2和KM3絕對不允許同時接通，相互間必須有非?？煽康幕ユi。所以KM2斷開到KM3閉合之間的延遲時間是必須的，通常稱為“切換時間”（此時間非常重要，將在下文闡述）；第三個延時的目的是保證二號泵已經可靠連接在變頻回路上在啟動變頻器，這個延時不是必須的，但對延長接觸器使用壽命有好處，大約需要0.2至0.4s。當KM3閉合，電動機接至工頻電源時，應避免

10、產生過大的沖擊電流，干擾電網。切換時刻對電流的影響：顯而易見，如果在KM3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢相同，則切換時將沒有電流沖擊；反之，如果在KM3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢反相，則切換時必將形成很大的沖擊電流。因此，只有在定子電動勢與電源電壓同相的瞬間，才是切換的最佳時刻。所以，切換控制的關鍵是如何“捕捉”到定子電動勢與電源電壓的同相點。這里用來“捕捉”同相點的方法稱為差頻同相。差頻同相的基本出發(fā)點是：當變頻器的輸出頻率與電源頻率存在差異時，兩者的同相點之間將不斷地作相對移動。這個特點，十分有利于“捕捉”到同相點。因此，差頻同相的方法可使捕捉同相點的工作更加簡

11、單可靠。實現差頻同相的裝置稱為自動轉換監(jiān)控器。差頻同相的實施：（1）設置“頻段陷阱”。變頻器的頻率差越小，同相點之間作相對移動的虛度越慢，“捕捉”相同點將越困難。為此，自動轉換監(jiān)控器設置了一個頻段“陷阱”（50）Hz。就是說，在自動轉化監(jiān)控器要求切換時，變頻器的輸出頻率與電源頻率之間應該有一個頻率差。這可以通過預置變頻器的上限頻率來實現。例如，變頻器的上限頻率預置為49.6Hz，則=0.4Hz。這個要求和供水系統(tǒng)的工作并不矛盾。事實上，從節(jié)能的觀點出發(fā)，變頻供水時，工作在50Hz是并不可取的。因為，同樣運行在50Hz下，變頻運行比工頻運行時的功耗要大一些。所以，把變頻器的上限頻率預置為49.5

12、Hz，或稍高一些是較好的選擇。（2）切換的工作過程。當供水系統(tǒng)中的變頻器的運行頻率達到上限頻率，并且經過確認時間，確認需要切換時，供水系統(tǒng)將向自動轉換監(jiān)控器發(fā)出切換指令。自動轉換監(jiān)控器在得到指令后立即開始“捕捉”同相點。當捕捉到同相點時，便斷開KM2，并在延時100ms后，接通KM3，切換工作即告完成。關于切換時間100ms：（1）轉速方面。經計算，當KM2切斷后100ms的瞬間，電動機的轉速在額定轉速的86.7%以上，滿足切換轉速不低于額定轉速80%的要求。（2）相位方面。一方面100ms是電源電壓的5個整周期。另一方面，經計算，定子繞組的5個整周期總時間為104.3ms。就是說電源電壓與定

13、子電動勢之間，在5個周期內的時間差為4.3ms。所以，為了減小相位差，在“捕捉”到同相點之后，可適當增加一個提前量。則在切換瞬間（KM3閉合的瞬間），將十分接近于同相點，從而最大限度的減少電流沖擊。4. 水泵變頻與工頻工作過程詳細分析。供水狀態(tài)及其轉換。供水狀態(tài)是指供水時按照用水量的大小設定投入運行的水泵臺數及運行狀況。根據城區(qū)用水量大小可分為很小、小、中和大四種情況。啟動自動變頻運行方式時，首先起動4號泵工頻運行供水，當用水量大，超過4號泵最大供水能力而無法維持管道內水壓時，延時1分鐘時間確認，若兩分鐘后供水能力仍然無法維持管道內水壓則PLC通過變頻器啟動1號水泵供水，同時關閉4號泵的運行。

14、在1號水泵供水過程中，變頻器根據水壓的變化通過PID調節(jié)器調整1號水泵的轉速來控制流量，維持水壓。若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達到上限頻率時，仍達不到設定壓力，延時1分鐘確認，確認完后由PLC給出控制信號，將1號主水泵與變頻器斷開，轉為工頻恒速運行，同時變頻器對2號主水泵軟啟動。系統(tǒng)工作于1號工頻、2號變頻的兩臺水泵并聯(lián)運行的供水狀態(tài)。若用水量繼續(xù)增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時，延時1分鐘，由PLC給出控制信號，將2號水泵與變頻器斷開，轉為工頻恒速運行，同時變頻器對3號水泵軟啟動變頻運行，若水量仍達不到設定壓力，1分鐘后，將3號水泵與變頻器斷開，轉為工頻運行。直到滿足水壓要求。整個加泵過

15、程中，總是保證原來工作于變頻運行狀態(tài)的水泵轉入工頻恒速運行，新開泵軟啟動并運行在變頻狀態(tài)，保證只有一臺水泵運行在變頻狀態(tài)。當用水量減少時，變頻器通過PID調節(jié)器降低水泵轉速來維持水壓。并在用水量極少的時刻，如夜間，設置變頻器睡眠功能，當母管壓力高于預置值時，計時器開始計時，在計時期間內，若壓力值重新低于預置值，變頻器繼續(xù)正常工作。若計時器到時，壓力值仍高于預置值則變頻器和1、2、3號泵自動停機，切換到4號泵工頻運行，維持少量用水的水壓。當供水壓力低于預置的壓力下限時暫停睡眠，喚醒變頻器，進入正常的恒壓供水狀態(tài)。四、 變頻器的選型及功能預置（一） 變頻器的選型與控制方式1. 變頻器的選型：大部分

16、制造廠都專門生產了“風機、水泵專用型”的變頻器系列。這里，根據前期調研，直接選用歐姆龍3G3RV-ZV1系列的變頻器。2. 控制方式與U/設定以選用V/F控制方式為宜。大部分變頻器都給出兩條“負補償”的U/。對于水泵來說，宜選用負補償程度較輕的U/線。（二） 變頻器的功能預設1. 最高頻率水泵屬于二次方律負載，當轉速超過其額定轉速時，轉矩將按平方規(guī)律增加。例如，當轉速超過額定轉速10%時，轉矩將超過額定轉矩21%。導致電動機嚴重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定頻率的，其最高頻率只能與額定頻率相等，即max = N = 50Hz2. 上限頻率一般來說，上線頻率也以等于額定頻率為宜。但有時也可預置的略低一些，原因有以下兩個：（1）由于變頻器內部往往具有轉差補償功能，因此，同是在50Hz的情況下，水泵在變頻運行時的實際轉速高于工頻運行的轉速，從而增大了水泵和電機的負載。（2）也有人認為：變頻調速系統(tǒng)在50Hz下運行，還不如直接在工頻下運行為好，可以減少變頻器本身的損失。所以，將上限頻率預置為49.5Hz是適宜的。3. 下限頻率在供水系統(tǒng)中，轉速過低，會出現水泵的全揚程小于基