【正文】 。 V/F 控制 異步電動機的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率 f 和極對數(shù)有關(guān)，改變 f 就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率 f 的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變 f的同時，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是V/F 控制。 V/F控制簡單，通用性優(yōu)良。 轉(zhuǎn)差頻率控制 由電機學的基礎知識可知， 異步電動機轉(zhuǎn)矩 M與氣隙磁通 Φ 、轉(zhuǎn)差頻率 f2的關(guān)系為： 22 fM ??? (21) 只要保持氣隙中磁通 Φ 一定，控制轉(zhuǎn)差頻率 f2就可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。 矢量控制 矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能。 變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理 一、水泵工況點的確定以及變化 [11,36] 水泵工作 點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。 如果把某一水泵的性能曲線（即 HQ 曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中（圖22），則這兩條曲線的交點 A,就是水泵的工作點。 工作點 A 是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在 A 點。若把水泵的效率曲線 η Q 也畫在同一坐標系中，在圖 22 中可以找出 A 點的揚程 HA、流量 QA以及效率 ?A。 從圖 22中可以看出，水泵在工作點 A 點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達 到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工作點一定要保證水 6 η水泵性能曲線管路性能曲線 圖 22 水泵工作點的確定 工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中一個重要問題。 在變頻調(diào)速恒水位供水過程中，水泵工況點的變化如圖 2— 3所 曲線 圖 2— 3 水泵工況點的變化 當 P P2 高于 P0 時，說明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線 A A2 向 A0 方向變化，此時水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由 P P1 逐漸下降，當 P’低于 P0 時，其工況點變化與上述相反即由 A1’逐漸向 A0 移動，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。 7 圖24 水 泵變速恒壓工況 根據(jù) 24 圖水泵變速恒壓工況分析：當管網(wǎng)用水由 Q Q1… .向 Q0 移動時，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使 P0 保持恒定。 二、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過程 交流電動機的轉(zhuǎn)速 n 與電源頻 率 f 具有如下關(guān)系： n =60 f(1s)/p （ 2— 2） 式 2— 2 中： p? 極對數(shù) ,s? 轉(zhuǎn)差率 因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電機的轉(zhuǎn)速 n。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 當管網(wǎng)負載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從 n1 降低到 n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速 n,可使供水泵流量 Q、揚程 H 和軸功率N 以相應規(guī)律改變 [37]。 Q1/Q2=n1/n2 （ 2— 3） H1/H2=(n1/n2)2 （ 2— 4） P1/P2 =(n1/n2)3 （ 2— 5） 或 H =KQ2 （ 2— 6） 式 2— 6 是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 在變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的 調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f 來改變電機的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖 25來說明。 8 η Q相似工況拋物線η Cη A水泵性能曲線管路性能曲線 圖 25 變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖 由圖 25 可見，設定管網(wǎng)壓力值（揚程）為 H0，管網(wǎng)初始用水量為 QA，初始工況點為 A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為 n1，工作點 A 的軸功率即為 AH0OQA四點所圍的面積。當管網(wǎng)負載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成 420?A 電流 信號送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉(zhuǎn)速至 n2,水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點 A 移至 B 點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應減小 .。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在 H0,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速 n2 所對應的水泵性能曲線從點 B 移至 C 點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點 C 點，在圖 3 中可以找出 C 點的揚程 HC、流量 QC 以及效率 ?C ，工作點 C 的軸功率即為 CH0OQC四點所圍的面積。 考察水泵的效率曲線 ?Q,， 水泵轉(zhuǎn)速的工況 調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。 三、變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定 考察水泵的效率曲線 ?Q,， 水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi) ，在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在 50%100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 系統(tǒng)的方案設 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動 4 臺電動機的起動、運行與調(diào)速，其中兩臺大機 (220KW)和兩臺小機 (160KW,160KW)分別采用循環(huán)使用的方式運行。 PLC 上接工控計算機，水位傳感器采樣水池水位信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給 PLC 的模糊模塊 ,PLC 根據(jù)這兩個信號經(jīng)模糊運算，發(fā)出 指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。 PLC 上接工控計算機，上位機裝有監(jiān)控軟件，對恒水位供水系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。如圖 26所示 : 9 圖 26 變頻調(diào)速恒水位供水自動控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)工作過程 根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，白天一般只需開動一臺大泵和一臺小泵，就能滿足生產(chǎn)需 要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進行設計，即把1水泵電機（ 160KW）和 2水泵電機（ 220KW）為一組， 3水泵電機（ 160KW）和 4水泵電機（ 220KW）分為一組。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。 分析自動控制系統(tǒng)的機組Ⅰ（ 2水泵電機）工作過程 ,可分為以下三個工作狀態(tài)：1) 1電機變頻起動； 2)1電機工頻運行， 2電機變頻運行； 3) 2電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當源水的水位發(fā)生變化時，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。 Ⅰ 1電機變頻起動，頻率達到 50HZ,1電機工頻運行， 2電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，水池水位低于設定水位下限 hl，按下相應的按鈕 ,選擇機組Ⅰ運行，在 PLC 可編程控制器控制下 , KM2 得電， 1電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD 端，變頻器對拖動 1泵的電動機采用軟起動， 1電機起動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻 0f （即 50HZ），可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器 BX端，變頻器 FWD 端斷開， KM2 失電， 1電機自變頻器輸出端斷開， KM1 得電 1電機切換至 工頻運行。 1電機工頻運行后 ,開啟 1泵閥門， 1泵工作在工頻狀態(tài)。接著 KM3 得電， 2電機接至變頻器輸出端 ,接通變頻器 FWD 端，變頻器 BX 端斷開 ,2電機開始軟起動，運行一段時間后，開啟 2泵閥門， 2水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn) 1水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行， 2水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到水池水位達到設定值為止。 Ⅱ 由 1電機工頻運行， 2電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機單獨變頻運行狀態(tài)。 水位傳感器 10 當晚上用水量大量減少時，水壓增加， 2水泵電機在變頻器作用 下，變頻器輸出頻率下降，電機 轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值 minf ，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限 hP 時（ 2 電機 hPPff ?? ,min ） ,在 PLC 可編程控制器控制下， 1水泵電機從工頻斷開， 2水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。 Ⅲ 由 2電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機變頻停止， 1電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時， 2電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)， 當變頻器輸出頻率增至工頻 0f （即 50Hz），水池水位低于設定水位上限 H 時，接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD 端斷開， KM3 斷開，2電機自變頻器輸出端斷開； KM2 得電 ,1電機接至變頻器輸出端；接通變頻器 FWD端 ,與此同時變頻器 BX 端斷開 ,1電機開始軟起動?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。 在 PLC 程序設計中，必須認真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。 1和 2機組工作過程流程圖如下： 圖 27機組Ⅰ工作過程 流程圖 若選擇機組Ⅱ（ 3和 4水泵電機）運行，其工作過程和上面類似。 11 第三章 控制系統(tǒng)硬件 設計 主電路設計 在硬件系統(tǒng)設計中，采用一臺變頻器連接 4臺電動機，其中 3水泵電機是小機，具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)； 4水泵電機是大機，只有變頻工作狀態(tài)，每臺電機只通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)大機的額定電流來確定。對于有變頻 /工 頻兩種狀態(tài)的 1和 3電動機，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)小機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。 由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當前的工作電流，必須在每臺電機三相輸入電源前面都接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個電流表連接，如圖 31所示。兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在控制臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。 同時熱繼電器可以實現(xiàn)對電動 機的過熱保護。 變頻器主電路電源輸入端子（ R、 S、 T）經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子（ U、 V、 W）經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉(zhuǎn)方向預設定不一致時，需要調(diào)換輸出端子（ U、 V、 W）的任意兩相。特別是對于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻／工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。 另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應的 DC 電抗器，變頻器的 [P1,P+]端子是連接 DC 電抗器之用。 水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉(zhuǎn)，實 現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。 對于系統(tǒng)中真空泵控制電路，使用一臺三相交流異步電動機和 4 個兩位兩通電磁換向氣閥組成抽取真空的回路。每次抽真空的時候，需要預先決定需要抽真空的水泵，然后先開啟真空抽取電動機，接著開啟控制要抽真空的水泵的電磁換向氣閥，這樣就能實現(xiàn)系統(tǒng)要求的抽取真空的功能。如有必要，在系統(tǒng)中這樣還可以安裝多臺真空泵，實現(xiàn)同時抽取多臺水泵真空，確保系統(tǒng) 的正常工作。 控制電路設計 圖 31 電流互感器的接線圖 12 在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照