变频调速供水电控装置设计 |||||工程配电柜||||||||||||||
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。(欢迎来电咨询 郑州中鑫自动化设备有限公司 网址：www.hnzkwx.com 电话：13837132021 )
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。(欢迎来电咨询 郑州中鑫自动化设备有限公司 网址：www.hnzkwx.com 电话：13837132021 )
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：
PCN≥KPM／ηCOSφ
PCN≥k√3 UMIM×10-3
ICN≥kIM
式中 PM――负载所要求的电动机的轴输出功率KW，
η――泵用电动机的效率（通常约0.85）
COSφ――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）。 (欢迎来电咨询 郑州中鑫自动化设备有限公司 网址：www.hnzkwx.com 电话：13837132021 )
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 、τ 。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：α=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=ρgQH/η
ρ――水的密度，Kg2/m3; g――重力加速度，m/s2；η――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‘=ρgQ‘H’/η‘=ρg0.8QH/η’＞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，N∝Q3，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。(欢迎来电咨询 郑州中鑫自动化设备有限公司 网址：www.hnzkwx.com 电话：13837132021 )
7，结论
采用恒压供水，水泵起动为软起动，对电网影响小，可以减小变压器的容量，可以减少机械传动的设备损坏，节约电能。据相关资料，一般两年节约的电能费用就能收回设备投资。特别适合负载周期变化特别大的场合，例如生活小区，白天与深夜的需水量就特别大。对于短时制的工作也非常明显。