【正文】 。 V/F 控制 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率 f 和極對(duì)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(huì)引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變 f的同時(shí)，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動(dòng)機(jī)的效率不下降，這就是V/F 控制。 V/F控制簡(jiǎn)單，通用性優(yōu)良。 轉(zhuǎn)差頻率控制 由電機(jī)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)可知， 異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流的量和勵(lì)磁電流的量，并分別進(jìn)行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電動(dòng)機(jī)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(diǎn)的確定以及變化 [11,36] 水泵工作 點(diǎn)（工況點(diǎn)）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)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(biāo)系中（圖22），則這兩條曲線的交點(diǎn) A,就是水泵的工作點(diǎn)。 工作點(diǎn) A 是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)并非總是固定在 A 點(diǎn)。若把水泵的效率曲線 η Q 也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 22 中可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 HA、流量 QA以及效率 ?A。 從圖 22中可以看出，水泵在工作點(diǎn) A 點(diǎn)提供的揚(yáng)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(dá) 到能量和流量的平衡，這個(gè)平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對(duì)的。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個(gè)或同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)的確定 工作點(diǎn)的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中一個(gè)重要問題。 在變頻調(diào)速恒水位供水過程中，水泵工況點(diǎn)的變化如圖 2— 3所 曲線 圖 2— 3 水泵工況點(diǎn)的變化 當(dāng) P P2 高于 P0 時(shí)，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(shí)水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由 P P1 逐漸下降，當(dāng) P’低于 P0 時(shí)，其工況點(diǎn)變化與上述相反即由 A1’逐漸向 A0 移動(dòng)，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(dāng)管網(wǎng)用水由 Q Q1… .向 Q0 移動(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)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(duì)數(shù) ,s? 轉(zhuǎn)差率 因此不改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，只改變電源的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動(dòng)。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(jī)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(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動(dòng)機(jī)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(yáng)程 H 和軸功率N 以相應(yīng)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(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)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(tái)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(jī)的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)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(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚(yáng)程）為 H0，管網(wǎng)初始用水量為 QA，初始工況點(diǎn)為 A，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n1，工作點(diǎn) A 的軸功率即為 AH0OQA四點(diǎn)所圍的面積。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測(cè)到升高壓力轉(zhuǎn)換成 420?A 電流 信號(hào)送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個(gè)令變頻器頻率降低的信號(hào)，從而降低電機(jī)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(diǎn) A 移至 B 點(diǎn)，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會(huì)相應(yīng)減小 .。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在 H0,因此水泵工作點(diǎn)又沿著轉(zhuǎn)速 n2 所對(duì)應(yīng)的水泵性能曲線從點(diǎn) B 移至 C 點(diǎn)，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運(yùn)行在新的工作點(diǎn) C 點(diǎn)，在圖 3 中可以找出 C 點(diǎn)的揚(yáng)程 HC、流量 QC 以及效率 ?C ，工作點(diǎn) C 的軸功率即為 CH0OQC四點(diǎn)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(yùn)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(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體最低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)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(dòng)機(jī)的負(fù)載率在 50%100%范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。 系統(tǒng)的方案設(shè) 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(jī)組、水位傳感器、工控機(jī)以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng) 4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，其中兩臺(tái)大機(jī) (220KW)和兩臺(tái)小機(jī) (160KW,160KW)分別采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。 PLC 上接工控計(jì)算機(jī)，水位傳感器采樣水池水位信號(hào)，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給 PLC 的模糊模塊 ,PLC 根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)模糊運(yùn)算，發(fā)出 指令，對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。 PLC 上接工控計(jì)算機(jī)，上位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對(duì)恒水位供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。如圖 26所示 : 9 圖 26 變頻調(diào)速恒水位供水自動(dòng)控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)工作過程 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，白天一般只需開動(dòng)一臺(tái)大泵和一臺(tái)小泵，就能滿足生產(chǎn)需 要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開動(dòng)一臺(tái)大機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)，即把1水泵電機(jī)（ 160KW）和 2水泵電機(jī)（ 220KW）為一組， 3水泵電機(jī)（ 160KW）和 4水泵電機(jī)（ 220KW）分為一組。兩組采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短來調(diào)整選擇不同的機(jī)組運(yùn)行。 分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)組Ⅰ（ 2水泵電機(jī)）工作過程 ,可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：1) 1電機(jī)變頻起動(dòng)； 2)1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行； 3) 2電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行。一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水位發(fā)生變化時(shí)，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(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過程。 Ⅰ 1電機(jī)變頻起動(dòng)，頻率達(dá)到 50HZ,1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行。系統(tǒng)開始工作時(shí)，水池水位低于設(shè)定水位下限 hl，按下相應(yīng)的按鈕 ,選擇機(jī)組Ⅰ運(yùn)行，在 PLC 可編程控制器控制下 , KM2 得電， 1電機(jī)先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD 端，變頻器對(duì)拖動(dòng) 1泵的電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)， 1電機(jī)起動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著運(yùn)行頻率的增加，當(dāng)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(jī)自變頻器輸出端斷開， KM1 得電 1電機(jī)切換至 工頻運(yùn)行。 1電機(jī)工頻運(yùn)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(jī)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(jī)開始軟起動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開啟 2泵閥門， 2水泵電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn) 1水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行， 2水泵接入變頻器并啟動(dòng)運(yùn)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(dá)到設(shè)定值為止。 Ⅱ 由 1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。 水位傳感器 10 當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加， 2水泵電機(jī)在變頻器作用 下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī) 轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值 minf ，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限 hP 時(shí)（ 2 電機(jī) hPPff ?? ,min ） ,在 PLC 可編程控制器控制下， 1水泵電機(jī)從工頻斷開， 2水泵繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。 Ⅲ 由 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)變頻停止， 1電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)， 2電動(dòng)機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)， 當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻 0f （即 50Hz），水池水位低于設(shè)定水位上限 H 時(shí)，接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD 端斷開， KM3 斷開，2電機(jī)自變頻器輸出端斷開； KM2 得電 ,1電機(jī)接至變頻器輸出端；接通變頻器 FWD端 ,與此同時(shí)變頻器 BX 端斷開 ,1電機(jī)開始軟起動(dòng)?？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(shè)計(jì)中，必須認(rèn)真考慮這三個(gè)切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個(gè)工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常切換與運(yùn)行。 1和 2機(jī)組工作過程流程圖如下： 圖 27機(jī)組Ⅰ工作過程 流程圖 若選擇機(jī)組Ⅱ（ 3和 4水泵電機(jī)）運(yùn)行，其工作過程和上面類似。 11 第三章 控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì) 在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用一臺(tái)變頻器連接 4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其中 3水泵電機(jī)是小機(jī)，具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，每臺(tái)電機(jī)都通過兩個(gè)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)； 4水泵電機(jī)是大機(jī)，只有變頻工作狀態(tài)，每臺(tái)電機(jī)只通過一個(gè)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(gè)自動(dòng)空氣開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)大機(jī)的額定電流來確定。對(duì)于有變頻 /工 頻兩種狀態(tài)的 1和 3電動(dòng)機(jī)，還需要在工頻電源下面接入兩個(gè)同樣的自動(dòng)空氣開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流過載保護(hù)接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)小機(jī)的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量適當(dāng)選擇。 由于每臺(tái)電機(jī)的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機(jī)當(dāng)前的工作電流，必須在每臺(tái)電機(jī)三相輸入電源前面都接入兩個(gè)電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個(gè)電流表連接，如圖 31所示。兩個(gè)電流表一個(gè)安裝在控制柜上，另一個(gè)安裝在控制臺(tái)上，可以方便地觀察電機(jī)的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)。 同時(shí)熱繼電器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng) 機(jī)的過熱保護(hù)。 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(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子（ U、 V、 W）的任意兩相。特別是對(duì)于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動(dòng)和變頻輸出電源拖動(dòng)兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否則在變頻／工頻的切換過程中會(huì)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(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)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(jìn)行。 另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應(yīng)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(gè)交流接觸器來控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí) 現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。 對(duì)于系統(tǒng)中真空泵控制電路，使用一臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)和 4 個(gè)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(shí)候，需要預(yù)先決定需要抽真空的水泵，然后先開啟真空抽取電動(dòng)機(jī)，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(shí)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(tái)真空泵，實(shí)現(xiàn)同時(shí)抽取多臺(tái)水泵真空，確保系統(tǒng) 的正常工作。 控制電路設(shè)計(jì) 圖 31 電流互感器的接線圖 12 在控制電路的設(shè)計(jì)中，首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，所有控制電機(jī)、閥門接觸器的動(dòng)作，都是按照