變頻調(diào)速供水電控裝置設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)論文

1、變頻調(diào)速供水電控裝置設(shè)計(jì)摘 要：本文給出變頻調(diào)速供水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，采用變頻調(diào)速拖動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)無塔上水供水，并給出相關(guān)參數(shù)設(shè)定和計(jì)算方法。變頻調(diào)速用于給水系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。關(guān)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(jī)變化的，而投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)和水泵的轉(zhuǎn)速不隨用戶水量變化，負(fù)荷低峰時(shí)將引起電能的浪費(fèi)，管網(wǎng)壓力大時(shí)將損壞管網(wǎng)及其附屬設(shè)備，采用變頻調(diào)速、微電腦控制器及邏輯控制元件可以達(dá)到管網(wǎng)恒壓變量供水。下面以單臺(tái)泵控制為例說明。1供水一用一備、變頻/工頻方式當(dāng)一臺(tái)泵能夠滿足管網(wǎng)最大壓力時(shí)，可以采用一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)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

2、管網(wǎng)上，用于檢測(cè)用戶端水壓。壓力設(shè)定值與所測(cè)管網(wǎng)壓力在調(diào)節(jié)器中進(jìn)行比較，其誤差信號(hào)作為變頻調(diào)速的速度給定。變頻調(diào)速器輸出頻率可變的電力給水泵電機(jī)，使水泵轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化。管網(wǎng)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(fù)載的要求來進(jìn)行，泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方比，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？梢赃x擇普通功能型u/f變頻器。泵類一般運(yùn)轉(zhuǎn)方式為連續(xù)型，變頻器容量的計(jì)算式如下：pcnkpmcospcnk3 umim10-3 icnkim式中 pm負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率kw，泵用電動(dòng)機(jī)的效率（通常約0.85）cos電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通

3、常約0.75）um電動(dòng)機(jī)電壓vim電動(dòng)機(jī)電流a，功頻電源時(shí)的電流k電流波形的修正系數(shù)（pwm方式時(shí)取1.05-1.0）pcn變頻器的額定容量kvaicn變頻器的額定電流 變頻器的過載能力較小，允許過載時(shí)間亦很短，但泵類負(fù)載除起動(dòng)外無瞬時(shí)過載問題，變頻器傳動(dòng)時(shí)最大軸功率基本上等于電動(dòng)機(jī)的額定功率。當(dāng)泵低速運(yùn)行時(shí)，散熱能力變差，但溫升不會(huì)有太大變化，對(duì)于最大軸輸出功率無影響。對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)，如果電網(wǎng)對(duì)諧波污染要求比較嚴(yán)格，要求變頻器有很高的功率因數(shù)，則根據(jù)產(chǎn)品說明書要求校合電源側(cè)電感量，如不滿足則附加電抗器。 如果采用變頻器專用電動(dòng)機(jī)，則可以根據(jù)查

4、表選擇電動(dòng)機(jī)（表由廠家給出），對(duì)于青海高原地形，變頻器容量還應(yīng)乘以約1.25系數(shù)，在變頻器位置安放上應(yīng)考慮環(huán)境溫度與濕度。 1.2.2 空氣開關(guān)，接觸器，熱繼電器、導(dǎo)線、外部直流電源選擇空氣開關(guān)的額定電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，延時(shí)動(dòng)作的過電流脫扣器的額定電流應(yīng)為電動(dòng)機(jī)額定電流1.1至1.2倍。瞬時(shí)動(dòng)作的過電流整定值應(yīng)按大于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的1.7至2.0倍考慮。接觸器選擇應(yīng)考慮極數(shù)、額定工作電壓、額定工作電流、接通與分?jǐn)嗄芰Γ紤?yīng)符合電機(jī)要求，所帶附助觸頭應(yīng)滿足繼電邏輯控制要求。熱繼電器額定電流應(yīng)為電動(dòng)機(jī)額定電流的1.05至0.95倍，在長(zhǎng)期過載20%時(shí)應(yīng)可靠動(dòng)作，熱繼電器動(dòng)作時(shí)間必須大于電動(dòng)

5、機(jī)起動(dòng)或長(zhǎng)期過載時(shí)間。導(dǎo)線選擇應(yīng)根據(jù)載流量及鋪設(shè)方式定。一般根據(jù)青海氣候及廠內(nèi)土壤、地形及周圍管網(wǎng)情況，取系數(shù)0.85。1.3 微電腦選擇恒壓供水系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，微電腦控制器實(shí)際上是一個(gè)外置pid控制器，輸出信號(hào)420ma，給定信號(hào)420ma，反饋信號(hào)同上。利用變頻器內(nèi)部pid，可以省掉調(diào)節(jié)器，壓力傳感變送器信號(hào)直接輸入到變頻器內(nèi)。相應(yīng)接線端子見變頻器操作手冊(cè)。也可外置pid調(diào)節(jié)器，如川儀gtz2100。1.4壓力傳感器選用hs950型合金薄膜變送器，二線420ma輸出，測(cè)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-15-2

6、4，輸出24v。直流電源供給壓力傳感器、微電腦控制器。因?yàn)閴毫鞲衅髋c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(hào)的產(chǎn)生 給定信號(hào)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420ma控制電流。根據(jù)設(shè)定壓力產(chǎn)生的電流信號(hào)確定給定值。2邏輯繼電設(shè)計(jì)通過繼電器可以作到工頻、變頻轉(zhuǎn)換（km0），一備一用（km14），參見相關(guān)圖集。也可以選擇i/o點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)的plc實(shí)現(xiàn)邏輯控制及信號(hào)指示與報(bào)警，plc的梯形圖由相關(guān)圖集中所列邏輯關(guān)系移植過來，簡(jiǎn)單方便。結(jié)合變頻器的相關(guān)繼電輸出口就能實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求。系統(tǒng)起動(dòng)后，若1#泵速度升至最大時(shí)用戶端

7、管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到設(shè)定值，2#泵起動(dòng)并全速運(yùn)行。若壓力超過設(shè)定值，變頻器調(diào)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(dá)到此目的，利用變頻器的繼電器輸出功能，當(dāng)頻率大于設(shè)定值時(shí)，繼電器輸出，接通繼電邏輯回路，控制第二個(gè)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，退出情況與此相反。例如使用semens的micromaster vector操作手冊(cè)p41所列功能。此外，三墾公司獨(dú)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(gòu)成最多7臺(tái)泵的高性能、又經(jīng)濟(jì)的供水系統(tǒng)。（samco-ihf、ipf變頻器）。 3變頻器參數(shù)設(shè)置及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)

8、置 3.1變頻器參數(shù)設(shè)置變頻器參數(shù)設(shè)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(shí)間 15s，減速時(shí)間15s，電動(dòng)機(jī)平滑起動(dòng)，電子熱保護(hù) 1.05，轉(zhuǎn)矩限制1.5，瞬停再起動(dòng)功能有，轉(zhuǎn)矩矢量控制無，其余功能遵照變頻器出廠設(shè)定。調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定如下： 由于被控對(duì)象模型復(fù)雜，管網(wǎng)恒定值要求不高，pi 參數(shù)確定時(shí)，可先不考慮管網(wǎng)的影響（管網(wǎng)波動(dòng)，水流變化的滯后），忽略起動(dòng)最初影響，忽略壓力測(cè)量變送器的滯后環(huán)節(jié)，因?yàn)樽冾l器與電動(dòng)機(jī)的開環(huán)機(jī)械特性與直流機(jī)的開環(huán)特性非常接近，所以把變頻器與泵用電動(dòng)機(jī)看做一個(gè)和直流電動(dòng)機(jī)功率一樣的電動(dòng)機(jī)，基于此可以方便確定kp 、ts，是一

9、個(gè)二階系統(tǒng)，由此可定系統(tǒng)圖。另外，ts ，kp的確定可以由實(shí)驗(yàn)取得，做變頻器電動(dòng)機(jī)的階躍響應(yīng)曲線辯識(shí)過程數(shù)學(xué)模型，可以認(rèn)為是一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)，是一個(gè)自衡對(duì)象。就可以求得這兩個(gè)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(dòng)上升時(shí)間，kp為信號(hào)放大倍數(shù)。系統(tǒng)原理圖如下： 原理圖中相關(guān)參數(shù)：=0.01 ma/r/min（電動(dòng)機(jī)為1500r/min） 。當(dāng)pi參數(shù)計(jì)算取得后，在實(shí)際調(diào)試過程中，應(yīng)根據(jù)所帶負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，可先使泵空載運(yùn)行，改變給定值，如果系統(tǒng)穩(wěn)定，再使水泵帶載運(yùn)行調(diào)整，使系統(tǒng)穩(wěn)定并有一定的靈敏度。 4，變頻調(diào)速控制柜的設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速柜一般柜面有電流電壓指示，電能計(jì)量，工

10、況運(yùn)行指示，工況運(yùn)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(gè)柜內(nèi)，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(hù)等級(jí)為ip54。5，恒壓供水成套裝置變頻調(diào)速供水成套供應(yīng)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(shí)只要給出要求即可。一般參數(shù)要求為：電動(dòng)機(jī)功率，水泵臺(tái)數(shù)，控制特征，柜體特征，附加功能等。6，變頻調(diào)速供水的節(jié)能分析當(dāng)前給水工程中應(yīng)用的變頻調(diào)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(duì)于恒壓變量供水來說（圖1），從工作點(diǎn)從a變到工作點(diǎn)b，ha/hb=1,水泵軸功率按下式計(jì)算：n=gqh/水的密度，kg2/m3;

11、g重力加速度，m/s2；水泵效率。n水泵的軸功率，q管網(wǎng)流量， h水泵揚(yáng)程。由于a，b為非相似工況點(diǎn)，轉(zhuǎn)速的降低將導(dǎo)致水泵效率下降。對(duì)于恒壓變量供水來說，當(dāng)系統(tǒng)q=0.8q時(shí)，n=gqh/=g0.8qh/0.8n即當(dāng)水泵流量減小20%時(shí)，節(jié)能小于20%，這取決于水泵的效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如果水系統(tǒng)是變壓變量供水，ha/hb= sqa2/sqb2= qa2/qb2，nq3，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(cè)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(dá)到0.92以上，與泵用電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)0.85左右相比，節(jié)約電能也非?？捎^。7，結(jié)論采用恒壓供水，水泵起動(dòng)為軟起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)影響小，可以減小變壓器的容量，可以減少機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)備損壞，節(jié)約電能。據(jù)相關(guān)資料，一般兩年節(jié)約的