變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及變頻器選型

1、變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用PLC使變頻器循環(huán)控制多臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。本文主要提出一種基于PLC與變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對此進(jìn)行詳細(xì)的說明與研究。方案選?。焊鶕?jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，選擇下述方案：變頻器+PLC+人機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換：通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)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(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、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(jī)組的容量大小無關(guān)。一、 變頻恒壓供水的目的對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)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(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體的測量和控制?？紤]到在動(dòng)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(guān)：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(dá)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(zhuǎn)速與泵機(jī)流量、揚(yáng)程之間的關(guān)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(shù)；P為泵機(jī)軸功率；Q為泵機(jī)流量；H為泵機(jī)揚(yáng)程；n為泵機(jī)轉(zhuǎn)速。式（4）說明泵機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，若設(shè)法降低轉(zhuǎn)速，就可以減小泵機(jī)軸功率。式（5）說明單位時(shí)間內(nèi)，排放每立方米水能耗與轉(zhuǎn)速立方成正比，這說明在達(dá)到實(shí)際供水流量前提下，轉(zhuǎn)速越小，功耗就越小。2.電動(dòng)機(jī)特性分析從公式（1）、公式（2）、公式（3）可以得出水泵如下關(guān)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(zhuǎn)速為n1時(shí)的流量、揚(yáng)程、功率；Q2、H2、n2分別為轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的流量、揚(yáng)程、功率。由此看出，水泵的流量、揚(yáng)程、功率均與轉(zhuǎn)速成正比，改

5、變水泵轉(zhuǎn)速即可達(dá)到改變水泵工作參數(shù)的目的。而帶動(dòng)水泵的交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n=60f（1s）/p （9）式中，f為電源頻率；p為磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。由式（9）可以看出，通過改變電源頻率f、改變磁極對數(shù)p或轉(zhuǎn)差率s可以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。當(dāng)前變頻電源頻率多根據(jù)供水系統(tǒng)壓力數(shù)值的大小變化，通過感應(yīng)傳感器把壓力數(shù)據(jù)送到變頻器，形成一個(gè)閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電源頻率功能，即動(dòng)態(tài)地改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)流量的目的。一般情況下，供水系統(tǒng)水壓力設(shè)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(zhuǎn)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

6、壓力下降越大，電源頻率則要求越高，導(dǎo)致水泵轉(zhuǎn)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(gòu)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(gè)控制信號：（1）目標(biāo)信號XT。即給定端VRF上得到的信號，該信號是一個(gè)與壓力的控制目標(biāo)相對應(yīng)的值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。目標(biāo)信號由鍵盤直接給定，通過PLC給定到VRF上。該信號是主管道處正常工作平均壓力值，通過鍵盤直接給變頻器。（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(gè)反映實(shí)際壓力的信號。2. 系統(tǒng)的工作過程現(xiàn)在的變頻器一般都具有PID調(diào)節(jié)功能，其內(nèi)部框圖如圖中虛線框所示。XT和XF兩者是相減的

7、，其合成信號XD=（XT-XF）經(jīng)過PID調(diào)節(jié)處理后得到頻率給定信號，決定變頻器的輸出頻率X。當(dāng)用水流量減小時(shí)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nX則供水能力QG直至壓力大小回復(fù)到目標(biāo)值、供水能力與用水流量重又平衡（QG=QU）時(shí)為止；反之，當(dāng)用水流量增加，使QGQU時(shí)，則XF則（XT-XF）則X則nX則QG則QG=GU，又達(dá)到新的平衡。3. 變頻與工頻切換過程的詳細(xì)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(jìn)行變頻調(diào)速，其余泵則恒速運(yùn)

8、行，這種方法會降低一些效率，但能夠提供全流量范圍的調(diào)節(jié)，投資最省，也是很常見的方式。只對一臺泵調(diào)速的多泵恒壓供水系統(tǒng)，有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式，即將調(diào)速泵和恒速泵固定設(shè)置的定變兩泵恒壓供水方案，以及各泵輪換調(diào)速的循環(huán)軟啟動(dòng)恒壓供水方案，兩者特點(diǎn)不盡相同，本設(shè)計(jì)采用后者，其有一下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)是循環(huán)運(yùn)行方式有利于各水泵的機(jī)械磨損均勻，使用壽命彼此相當(dāng)；另一個(gè)是利用了變頻器實(shí)現(xiàn)了水泵的軟起動(dòng)，在水泵功率較大時(shí)對降低電網(wǎng)沖擊有利；再一個(gè)是其節(jié)約成本，投資少。但循環(huán)軟啟動(dòng)方式的主要缺點(diǎn)是切換控制復(fù)雜，切換順序不能出錯(cuò)，否則變頻器很可能會受到損壞。因此，必須嚴(yán)格要求其切換的動(dòng)作順序。切換的動(dòng)作順序依次為：變

9、頻器自由停車延時(shí)斷開1KM2，使電動(dòng)機(jī)脫離變頻器經(jīng)適當(dāng)延時(shí)后合上1KM3，將電動(dòng)機(jī)接至工頻電源接通二號泵變頻回路接觸器2KM2延時(shí)接通變頻器運(yùn)行指令。這里，第一個(gè)延時(shí)的目的是躲過電動(dòng)機(jī)剩磁時(shí)間，以保證接觸器斷開時(shí)已經(jīng)沒有負(fù)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(shí)接通，相互間必須有非常可靠的互鎖。所以KM2斷開到KM3閉合之間的延遲時(shí)間是必須的，通常稱為“切換時(shí)間”（此時(shí)間非常重要，將在下文闡述）；第三個(gè)延時(shí)的目的是保證二號泵已經(jīng)可靠連接在變頻回路上在啟動(dòng)變頻器，這個(gè)延時(shí)不是必須的，但對延長接觸器使用壽命有好處，大約需要

10、0.2至0.4s。當(dāng)KM3閉合，電動(dòng)機(jī)接至工頻電源時(shí)，應(yīng)避免產(chǎn)生過大的沖擊電流，干擾電網(wǎng)。切換時(shí)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(dòng)勢相同，則切換時(shí)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(dòng)勢反相，則切換時(shí)必將形成很大的沖擊電流。因此，只有在定子電動(dòng)勢與電源電壓同相的瞬間，才是切換的最佳時(shí)刻。所以，切換控制的關(guān)鍵是如何“捕捉”到定子電動(dòng)勢與電源電壓的同相點(diǎn)。這里用來“捕捉”同相點(diǎn)的方法稱為差頻同相。差頻同相的基本出發(fā)點(diǎn)是：當(dāng)變頻器的輸出頻率與電源頻率存在差異時(shí)，兩者的同相點(diǎn)之間將不斷地作相對移動(dòng)。這個(gè)特點(diǎn)，十分有利于“捕

11、捉”到同相點(diǎn)。因此，差頻同相的方法可使捕捉同相點(diǎn)的工作更加簡單可靠。實(shí)現(xiàn)差頻同相的裝置稱為自動(dòng)轉(zhuǎn)換監(jiān)控器。差頻同相的實(shí)施：（1）設(shè)置“頻段陷阱”。變頻器的頻率差越小，同相點(diǎn)之間作相對移動(dòng)的虛度越慢，“捕捉”相同點(diǎn)將越困難。為此，自動(dòng)轉(zhuǎn)換監(jiān)控器設(shè)置了一個(gè)頻段“陷阱”（50±）Hz。就是說，在自動(dòng)轉(zhuǎn)化監(jiān)控器要求切換時(shí)，變頻器的輸出頻率與電源頻率之間應(yīng)該有一個(gè)頻率差。這可以通過預(yù)置變頻器的上限頻率來實(shí)現(xiàn)。例如，變頻器的上限頻率預(yù)置為49.6Hz，則=0.4Hz。這個(gè)要求和供水系統(tǒng)的工作并不矛盾。事實(shí)上，從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，變頻供水時(shí)，工作在50Hz是并不可取的。因?yàn)?，同樣運(yùn)行在50Hz下，變

12、頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行時(shí)的功耗要大一些。所以，把變頻器的上限頻率預(yù)置為49.5Hz，或稍高一些是較好的選擇。（2）切換的工作過程。當(dāng)供水系統(tǒng)中的變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到上限頻率，并且經(jīng)過確認(rèn)時(shí)間，確認(rèn)需要切換時(shí)，供水系統(tǒng)將向自動(dòng)轉(zhuǎn)換監(jiān)控器發(fā)出切換指令。自動(dòng)轉(zhuǎn)換監(jiān)控器在得到指令后立即開始“捕捉”同相點(diǎn)。當(dāng)捕捉到同相點(diǎn)時(shí)，便斷開KM2，并在延時(shí)100ms后，接通KM3，切換工作即告完成。關(guān)于切換時(shí)間100ms：（1）轉(zhuǎn)速方面。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)KM2切斷后100ms的瞬間，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的86.7%以上，滿足切換轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速80%的要求。（2）相位方面。一方面100ms是電源電壓的5個(gè)整周期。另一方面

13、，經(jīng)計(jì)算，定子繞組的5個(gè)整周期總時(shí)間為104.3ms。就是說電源電壓與定子電動(dòng)勢之間，在5個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間差為4.3ms。所以，為了減小相位差，在“捕捉”到同相點(diǎn)之后，可適當(dāng)增加一個(gè)提前量。則在切換瞬間（KM3閉合的瞬間），將十分接近于同相點(diǎn)，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(xì)分析。供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換。供水狀態(tài)是指供水時(shí)按照用水量的大小設(shè)定投入運(yùn)行的水泵臺數(shù)及運(yùn)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(dòng)自動(dòng)變頻運(yùn)行方式時(shí)，首先起動(dòng)4號泵工頻運(yùn)行供水，當(dāng)用水量大，超過4號泵最大供水能力而無法維持管道內(nèi)水壓時(shí)，延時(shí)1分鐘時(shí)間確認(rèn)，若兩分鐘后供水能力仍然無法

14、維持管道內(nèi)水壓則PLC通過變頻器啟動(dòng)1號水泵供水，同時(shí)關(guān)閉4號泵的運(yùn)行。在1號水泵供水過程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)整1號水泵的轉(zhuǎn)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(dá)到上限頻率時(shí)，仍達(dá)不到設(shè)定壓力，延時(shí)1分鐘確認(rèn)，確認(rèn)完后由PLC給出控制信號，將1號主水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，同時(shí)變頻器對2號主水泵軟啟動(dòng)。系統(tǒng)工作于1號工頻、2號變頻的兩臺水泵并聯(lián)運(yùn)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(shí)，延時(shí)1分鐘，由PLC給出控制信號，將2號水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，同時(shí)變頻器對3號水泵軟啟動(dòng)變頻運(yùn)行，若水量仍達(dá)不到設(shè)定壓力，1分

15、鐘后，將3號水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。直到滿足水壓要求。整個(gè)加泵過程中，總是保證原來工作于變頻運(yùn)行狀態(tài)的水泵轉(zhuǎn)入工頻恒速運(yùn)行，新開泵軟啟動(dòng)并運(yùn)行在變頻狀態(tài)，保證只有一臺水泵運(yùn)行在變頻狀態(tài)。當(dāng)用水量減少時(shí)，變頻器通過PID調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來維持水壓。并在用水量極少的時(shí)刻，如夜間，設(shè)置變頻器睡眠功能，當(dāng)母管壓力高于預(yù)置值時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，在計(jì)時(shí)期間內(nèi)，若壓力值重新低于預(yù)置值，變頻器繼續(xù)正常工作。若計(jì)時(shí)器到時(shí)，壓力值仍高于預(yù)置值則變頻器和1、2、3號泵自動(dòng)停機(jī)，切換到4號泵工頻運(yùn)行，維持少量用水的水壓。可行否？當(dāng)供水壓力低于預(yù)置的壓力下限時(shí)暫停睡眠，喚醒變頻器，進(jìn)入正常的恒壓供水狀態(tài)。四、

16、 變頻器的選型及功能預(yù)置（一） 變頻器的選型與控制方式1. 變頻器的選型：大部分制造廠都專門生產(chǎn)了“風(fēng)機(jī)、水泵專用型”的變頻器系列。這里，根據(jù)前期調(diào)研，直接選用歐姆龍3G3RV-ZV1系列的變頻器。查參數(shù)2. 控制方式與U/設(shè)定以選用V/F控制方式為宜。大部分變頻器都給出兩條“負(fù)補(bǔ)償”的U/。對于水泵來說，宜選用負(fù)補(bǔ)償程度較輕的U/線。（二） 變頻器的功能預(yù)設(shè)1. 最高頻率水泵屬于二次方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速10%時(shí)，轉(zhuǎn)矩將超過額定轉(zhuǎn)矩21%。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)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(shí)也可預(yù)置的略低一些，原因有以下兩個(gè)：（1）由于變頻器內(nèi)部往往具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，因此，同是在50Hz的情況下，水泵在變頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于工頻運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電機(jī)的負(fù)載。（2）也有人認(rèn)為：變頻調(diào)速系統(tǒng)在50Hz下運(yùn)行，還不如直接在工頻下運(yùn)行為好，可以減少變頻器本身的損失。所以，將上限頻率預(yù)置為49.5Hz是適宜的。3. 下限頻率在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低，會出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程