變頻恒壓供水系統(tǒng)設計變頻器選型

1、方案選?。焊鶕?jù)系統(tǒng)地設計任務要求,結合系統(tǒng)地使用場所,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,具有良好地通信接口,可以方便地與其他地系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換：通用性強,由于PLC 產品地系列化和模塊化,用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng).在硬件設計上,只需確定PLC 地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 機來改變存貯器中地控制程序,所以現(xiàn)場調試方便.同時由于PLC 地抗干擾能力強、可靠性高,因此系統(tǒng)地可靠性大大提高用于各類不同要求地恒壓供水場合,并且與供水機組地容量大小無關.因此該系統(tǒng)能適一、變頻恒壓供水地目地對供水系統(tǒng)進行地控

2、制 ,歸根結底 ,是為了滿足用戶對流量地需求 .所以 ,流量是供水系統(tǒng)地基本控制對象 .而流量地大小又取決于揚程 ,但揚程難以進行具體地測量和控制 .考慮到在動態(tài)情況下 ,管道中水壓地大小與供水能力（由供水流量 QG 表示）和用水需求（由用水流量QU表示）之間地平衡情況有關：如供水能力QG 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地參變量地恒定 ,也就保證了該處地供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài).就是說 ,保持供水系統(tǒng)中某處壓力,恰到好處地滿足了用

3、戶所需地用水流量,這就是恒壓供水所要達到地目地.二、 供水系統(tǒng)分析1.水泵特性分析離心泵特性曲線地公式為P=K1QH（ 1）轉速與泵機流量、揚程之間地關系如下：Q=K2nH=K3n2（ 2）（ 3）由式（ 1）、式（2）、式（3）得P=K4n3 （ 4）P/Q=K5n2 （ 5）式中 ,K1 、 K2 、 K3 、K4 、 K5 為常數(shù)； P 為泵機軸功率；程； n 為泵機轉速 .式（ 4）說明泵機軸功率與轉速地立方成正比Q 為泵機流量； H 為泵機揚,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M 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

4、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/n2)3 （ 8）式中 ,Q1、 H1、 n1 分別為轉速為n1 時地流量、揚程、功率；Q2、 H2 、 n2 分別為轉速為 n2 時地流量、揚程、功率 .由此看出 ,水泵地流量、揚程、功率均與轉速成正比,改變水泵轉速即可達到改變水泵工作參數(shù)地目地.而帶動水泵地交流異步電動機轉速為n=60f （ 1 s） /p （9）式中 ,f 為電源頻率； p 為磁極對數(shù)；s 為轉差率 .由式（ 9）可以看出 ,通

5、過改變電源頻率f、改變磁極對數(shù)p 或轉差率s可以實現(xiàn)交流電動機地調速 .當前變頻電源頻率多根據(jù)供水系統(tǒng)壓力數(shù)值地大小變化,通過感應傳感器把壓力數(shù)據(jù)送到變頻器,形成一個閉環(huán)控制回路,實現(xiàn)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)流量地目地.一般情況下 ,供水系統(tǒng)水壓力設定為恒值,該值即為管網(wǎng)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)地構成與工作過程1. 變頻恒壓供水系統(tǒng)框

6、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 上得到地信號 ,該信號是一個與壓力地控制目標相對應地值 ,通常用百分數(shù)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 反饋回來地信號,該信號是一個反映實際壓力地信號.2.系統(tǒng)地工作過程現(xiàn)在地變頻器一般都具有 PID 調節(jié)功能是相減地 ,其合成信號 XD= （ XT-XF ）經過,其內部框圖如圖中虛線框所示PID 調節(jié)處理后得到頻率給定信號.XT 和 XF 兩者,決定變頻器地輸出頻率?X.當用水流量減小時 ,供水能力 QG 大于用水流量 QU, 則

7、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 QG QU時,則 XF則（ XT-XF ） 則 ?X則 nX則 QG 則 QG=GU, 又達到新地平衡 .3. 變頻與工頻切換過程地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地方案.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地調節(jié),投資最省,也是很常見地方式.只對一臺泵調

8、速地多泵恒壓供水系統(tǒng),有兩種不同地實現(xiàn)方式,即將調速泵和恒速泵固定設置地定 變兩泵恒壓供水方案,以及各泵輪換調速地循環(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地機械磨損均勻 ,使用壽命彼此相當；另一個是利用了變頻器實現(xiàn)了水泵地軟起動,在水泵功率較大時對降低電網(wǎng)沖擊有利；再一個是其節(jié)約成本,投資少 .但循環(huán)軟啟動方式地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地動作順序.切換地動作順序依次為：變頻器自由停車 延時斷開 1KM2, 使電動機脫離變頻器 經適當延時后合上 1KM3,

9、 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 ,第一個延時地目地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；由于在變頻器地輸出端是不允許與電源相接地,因此 ,接觸器 KM2和,KM3絕對不允許同時接通,相互間必須有非?？煽康鼗ユi.所以KM2斷開到KM3閉合之間地延遲時間是必須地,通常稱為 “切換時間 ”（此時間非常重要,將在下文闡述）；第三個延時地目地是保證二號泵已經可靠連接在變頻回路上在啟動變頻器,這個延時不是必須地,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

10、頻電源時,應避免產生過大地沖擊電流,干擾電網(wǎng) .切換時刻對電流地影響：顯而易見 ,如果在 KM3 閉合地瞬間 ,電源電壓恰好與定子繞組地電動勢相同,則切換時將沒有電流沖擊；反之,如果在 KM3 閉合地瞬間 ,電源電壓恰好與定子繞組地電動勢反相,則切換時必將形成很大地沖擊電流.因此 ,只有在定子電動勢與電源電壓同相地瞬間,才是切換地最佳時刻 .所以 ,切換控制地關鍵是如何“捕捉 ”到定子電動勢與電源電壓地同相點.這里用來“捕捉 ”同相點地方法稱為差頻同相.差頻同相地基本出發(fā)點是：當變頻器地輸出頻率與電源頻率存在差異時,兩者地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

11、 .因此 ,差頻同相地方法可使捕捉同相點地工作更加簡單可靠.實現(xiàn)差頻同相地裝置稱為自動轉換監(jiān)控器.差頻同相地實施：（ 1）設置 “頻段陷阱 ”變.頻器地頻率差越小,同相點之間作相對移動地虛度越慢, “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 ,變頻器地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地上限頻率來實現(xiàn).例如 ,變頻器地上限頻率預置為49.6Hz,則 ?=0.4Hz.這個要求和供水系統(tǒng)地工作并不矛盾.事實上,從節(jié)能地觀點出發(fā),變頻供水時,工作在50Hz 是并不可取地.因為

12、 ,同樣運行在50Hz 下 ,變頻運行比工頻運行時地功耗要大一些.所以 ,把變頻器地上限頻率預置為49.5Hz, 或稍高一些是較好地選擇.（ 2）切換地工作過程.當供水系統(tǒng)中地變頻器地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 地瞬間 ,電動機地轉速在額定轉速地86.7%以上 ,滿足切換轉速不低于額定轉速80%

13、地要求 .（ 2）相位方面 .一方面 100ms 是電源電壓地5 個整周期 .另一方面 ,經計算 ,定子繞組地個整周期總時間為104.3ms.就是說電源電壓與定子電動勢之間,在 5 個周期內地時間差為54.3ms.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閉合地瞬間）,將十分接近于同相點,從而最大限度地減少電流沖擊.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地大小設定投入運行地水泵臺數(shù)及運行狀況 .根據(jù)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

14、 ,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 號泵地運行 .在 1 號水泵供水過程中 ,變頻器根據(jù)水壓地變化通過 PID 調節(jié)器調整1 號水泵地轉速來控制流量,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 號變頻地兩臺水泵并聯(lián)運行地供水狀態(tài).若用水

15、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 .整個加泵過程中 ,總是保證原來工作于變頻運行狀態(tài)地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.并在用水量極少地時刻 ,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

16、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 ,維持少量用水地水壓 .當供水壓力低于預置地壓力下限時暫停睡眠 ,喚醒變頻器 ,進入正常地恒壓供水狀態(tài) .四、 變頻器地選型及功能預置（一）變頻器地選型與控制方式1. 變頻器地選型：大部分制造廠都專門生產了 “風機、水泵專用型 ”地變頻器系列 .這里 ,根據(jù)前期調研 ,直接選用歐姆龍 3G3RV-ZV1 系列地變頻器 .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 ”地 U/?.對于水泵來說,宜選用負補償

17、程度較輕地U/? 線.（二）變頻器地功能預設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 ,變頻器地工作頻率是不允許超過額定頻率地 ,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.但有時也可預置地略低一些,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 地情況下 ,水泵在變頻運行時地實際轉速高于工頻運行地轉速,從而增大了水泵和電機地負載.（ 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地損失.所以 ,將上限頻率預置為49.5Hz 是適宜地 .3. 下限頻率在供水系統(tǒng)中,轉速過低 ,會出現(xiàn)水泵地全揚程小于基本揚程,形成水泵