【正文】 ，由于人們在設(shè)計(jì)、操作中忽視了節(jié)能問題，僅僅在電能發(fā)面的浪費(fèi)就相當(dāng)嚴(yán)重。 在文章中，我們研究了采用可編程控制器控制的變頻器對鹽水泵進(jìn)行調(diào)速所產(chǎn)生的節(jié)能減排效益，重點(diǎn)提到了凍結(jié)站鹽水泵變頻節(jié)能系統(tǒng)的硬件組成及軟件設(shè)計(jì)。可以說變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)利國利民、有 廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。本論文結(jié)合我國 煤礦凍結(jié)站 的現(xiàn)狀，并利用在校期間掌握的專業(yè)技能，設(shè)計(jì)了一套利用 PLC 變頻調(diào)速器以傳感器為基礎(chǔ)的 水泵流量閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)。 變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水泵節(jié)能和恒壓供水領(lǐng)域。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。還提到了對于電動(dòng)機(jī)、變頻器、 PLC 的結(jié)構(gòu)和型號選擇等相關(guān)方面。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如果在設(shè)計(jì)、運(yùn)行中采取有效的措施，平均可節(jié)電 40%以上。 凍結(jié)站三大循環(huán)系統(tǒng)中的水泵和壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備都是三相異步電動(dòng)機(jī)，對系統(tǒng)的控制實(shí)際上就是對電動(dòng)機(jī)的控制。 隨著電力電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路發(fā)展，變頻器原來越多的被用于生產(chǎn)和生活當(dāng)中。由于變頻器可實(shí)現(xiàn)大的電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起，避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，減少電動(dòng)機(jī)故障率，延長使用壽命，同時(shí)也降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。 (3)電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪聲對環(huán)境的影響； (4)具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能及聲光報(bào)警功能； 煤礦凍結(jié)法鑿井簡介 凍結(jié) 法是在各種不穩(wěn)定的松散含水層或含水豐富的巖層中，采用人工制冷的方法，安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 將 不穩(wěn)定的地層暫時(shí)變?yōu)榉€(wěn)定的地層，以利于地下下工程的施工。低溫鹽水在凍結(jié)管中沿環(huán)形空間流動(dòng)時(shí)，吸收其周圍巖層的熱量，使周圍巖層凍結(jié)，逐漸擴(kuò)展連成封閉的凍結(jié)圓筒（凍結(jié)壁）。凍結(jié)法被應(yīng)用在各種不穩(wěn)定的松散含水層（如流砂層），以及含水豐富的裂隙巖層（或破碎帶）的地下施工中，但是當(dāng)?shù)叵滤}量較高或流速較大（流速＞ 17 103m/s）時(shí)不宜采用 1883 年德國工程師 F． H． Poetsch 在德國阿爾巴里礦，用凍結(jié)法開鑿了深度為 103m的井筒，獲得了凍結(jié)法鑿井的專利，之后該項(xiàng)技術(shù)傳播到世界上許多國家。國外在煤礦中凍結(jié)深度最深的是波蘭的盧布林 l 號井副井，成井 ，凍結(jié)深度 725m。凍結(jié)壁達(dá)設(shè)計(jì)厚度后，即可進(jìn)行井筒掘砌作業(yè)，直到順利穿過不穩(wěn)定地層為止。凍結(jié)法建井施工系統(tǒng)由氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)、清水循環(huán)系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。循環(huán)上來以后進(jìn)入鹽水集中器，經(jīng)鹽水回路回到鹽水池 ,再通過 (液態(tài)氨變成氣態(tài)氨吸收熱量使鹽水降溫 )完成一個(gè)循環(huán)。目前的鹽水循環(huán)系統(tǒng)都是采用三 相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)離心式水泵帶動(dòng)整個(gè)管路中的鹽水進(jìn)行循環(huán)。中小型功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的 V/F 控制，只有少量的樣機(jī)采用矢量控制，生產(chǎn)數(shù)量及技術(shù)性能方面遠(yuǎn)不能滿足市場需要，目前還需要大量的進(jìn)口設(shè)備。到現(xiàn)在，我國已有 200 多家公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。另外，在與風(fēng)機(jī)、水泵相關(guān)的節(jié)能系統(tǒng)中，也被廣泛的應(yīng)用?；痣姀S的各種動(dòng)力設(shè)備中，泵與風(fēng)機(jī)類負(fù)載的耗能占絕大部分。 近年來，隨著電力電子技術(shù)的 飛速發(fā)展，高壓變頻技術(shù)日趨成熟，可靠性和性價(jià)比得到大幅提高?？梢哉f變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新 技術(shù)。 (2)大功率負(fù)載換流電流型逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備在抽水蓄能電站、大型風(fēng) (3)電壓型 GTO 逆變器在鐵路機(jī) 車上的推廣應(yīng)用。眾所周知，風(fēng)機(jī)和泵改用調(diào)速傳動(dòng)后可節(jié)約大量電力。但是水泵的運(yùn)行效率很低，有的甚至僅有 30％，能量浪費(fèi)十分嚴(yán)重。大量的統(tǒng)計(jì)調(diào)查表明，一些在運(yùn)行中需要改變工況而要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的水泵，其能量浪費(fèi)的主要原因，通常是由于采用了不合適的調(diào)節(jié)方式。在有效利用變頻器的同時(shí)，水泵節(jié)電控制技術(shù)還加入了 PLC、濾波 等。圖 2l 為不同調(diào)節(jié)流量方法的特性曲線。我們在國投新集口孜東煤礦風(fēng)井凍結(jié)使用三相電壓、電流、功率測試儀對鹽 水泵電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)鹽水泵出口閥門處于不同位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作電壓、電流、功率基本上沒有變化。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是，通過改變水泵的全揚(yáng)程來適應(yīng)用戶對流量的需求。在流量減小為 QB的同時(shí)，揚(yáng) HTC；此時(shí)，供水功率 PG與面積 OECH 成正比。而水泵的供水功率 PP是根據(jù)實(shí)際供水揚(yáng)程和流量算得的功率，是供水系統(tǒng)的輸出功率。由式 (23))可知，當(dāng)通過關(guān)小閥門來減小流量時(shí)由于轉(zhuǎn)速不變， HTBHTAHTCHBQAQ①③ABCE D②④ ?楊程特性管阻特性GP? 圖 21 不同調(diào)節(jié)流量的特性曲線 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 QnQ ??* （ 23） 其效率曲線如圖 22 中的曲線①所示。 當(dāng)流量?Q =60％時(shí)，效率由 C 點(diǎn)決定，它和 ?Q =100％時(shí)的效率 (由 A 點(diǎn)決定 )是相等的。因此，在確定額定揚(yáng)程和額定流量時(shí)，通常留有較大的裕量，所選電動(dòng)機(jī)的裕量也較大。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第 3 個(gè)方面 。曲線②是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)的功率曲線；當(dāng) ?Q =60％時(shí)，所消耗的功率由 C 點(diǎn)決定。大家都知道，從發(fā)電廠送出去的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒 50 周。因而，改變頻率可以方便的改變電機(jī)的運(yùn)行速度，也就是說變頻對于交流電機(jī)的調(diào)速來說是十分合適的。 變頻器的控制方式 本設(shè)計(jì)采用 SAMCOVMO5SPF 系列變頻器，變頻的工作方式采用恒壓頻比的控制方式：異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要由電源頻率和極對數(shù)決定，改變電源頻率，就可進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，及時(shí)進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行，也能夠獲得足夠的轉(zhuǎn)矩。 U/F 控制由于忽略了電機(jī)漏阻抗的作用，在低頻段的工作特性不理想。 鹽水泵變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 節(jié)能效果顯著 水泵采用變頻調(diào)速，其軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電功率將以轉(zhuǎn)速 的立方減少，因而有顯著的節(jié)能效果。 調(diào)速范圍大 變頻裝置具有一定的超速功能，在不超出電機(jī)額定出力的條件下，可使風(fēng)機(jī)超速%，因而在機(jī)組滿負(fù)荷下使 水泵的水壓明顯提高，抽水速度明顯提高。電磁流量計(jì)型號 ZJLDG300SM2F11030(DN300)，額定量程 30000m/h，標(biāo)準(zhǔn)電流420mA 輸出 ,電源由 220V交流供電或者是 24V直流供電?，F(xiàn)場操作人員也可通過上位機(jī)對變頻器的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。 （ 2）按級數(shù)分類：單極泵 多級泵 。 qvqm ?? （ 31） 式中 q 為液體的密度，常溫清水。 泵 的 類 型 ， A 或 B 或 C 分 別 表 示 葉 輪 外 徑 經(jīng) 過一 、 二 、 三 次 切 割多 級 泵 的 級 數(shù) ， 若 為 單 極 泵 ， 就 不 標(biāo) 出新 產(chǎn) 品 標(biāo) 出 楊 程 數(shù) ， 有 時(shí) 在 該 值 前 標(biāo) 出 流 量 ，兩 值 前 加 以 橫 線 隔 開 。 泵體與泵蓋構(gòu)成葉輪的工作室。根據(jù)需要也可生產(chǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的泵，但訂貨時(shí)應(yīng)特殊提出。如根據(jù)用戶特殊訂貨需要也可改為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。葉輪經(jīng)過靜平衡校驗(yàn)，用軸套和兩側(cè)的軸套螺母固定，其軸向位置可以 通過軸套螺母進(jìn)行調(diào)整，葉輪的軸向力利用其葉片的對稱布置達(dá)到平衡 。轉(zhuǎn)子繞組是閉合安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體 有電流流過。實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的前提； 三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子之所以會旋轉(zhuǎn)、是因?yàn)檗D(zhuǎn)子氣隙內(nèi)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 Te和轉(zhuǎn)速 n 同向。從水泵的規(guī)格性能表中初步選擇幾種規(guī)格的水泵，在根據(jù)管道的具體布置情況，同時(shí)求出水泵的工作點(diǎn)看其工況點(diǎn)是否落在泵的高效區(qū)內(nèi)。 本文中選用的是 Y355L22 三相 異步電動(dòng)機(jī)， 全封閉自扇冷式鼠籠型，定子繞組為Y接法， 電氣技術(shù)參數(shù)如下： 額定功率 kw： 315 額定 轉(zhuǎn)速 r/min： 2980 額定 電流 A： 560 效率： 95% 功率因數(shù)： 額定電壓 V： 380 變頻器 選型 變頻器的各種分類 （ 1）交一交變頗器把頻率固定的交流 電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。 故它主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。整流器為二極管三相橋式不控整流器 ， 逆變器是大功率晶體管組成的三相橋式電路，其作用正好與整流器相反，它是將恒定的直流電交換為可調(diào)電壓，可調(diào)頻率的交流電。 本次設(shè)計(jì)的選用的變頻器的主電路為交 直 交變頻器。 變頻器的 基本 結(jié)構(gòu)框圖 在中小容量變頻器中應(yīng)用最為廣泛的是 ”交一直一交 電壓型 變頻器 ”， 其基本結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。如圖33所示 從電路結(jié)構(gòu)上看，如果把三相負(fù)載看成三相整流變壓器的三個(gè)繞組，那么三相橋式逆變電路猶如三相橋式可控整流電路與三相二極管整流電路的反并聯(lián)，其中可控電路用來實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變，不可控電路為感性負(fù)載電流提供續(xù)流回路，完成無功能量的續(xù)流和反饋，因此 VD1～ VD6稱為續(xù)流二極管。 變頻器的參數(shù)介紹 變頻器功能參數(shù)很多，一般都有數(shù)十甚至上百個(gè)參數(shù)供用戶選擇。由于基本參數(shù)是各類型變頻器幾乎都有的，完全可以做到觸類旁通。 加速時(shí)間設(shè)定要求：將加速電流限制在變頻器過電流容量以下，不使過流失速而引起變頻器跳閘；減速時(shí)間設(shè)定要點(diǎn)是：防止平滑電路電壓過大，不使再生過壓失速而使變頻器跳閘。如采用手動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，根據(jù)負(fù)載特性，尤其是負(fù)載的起動(dòng)特性，通過試驗(yàn)可選出較佳曲線。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 電子熱保護(hù)設(shè)定值（ %） =[電動(dòng)機(jī)額定電流（ A） /變頻器額定輸出電流（ A） =100% 。 (5) 偏置頻率 其用途是當(dāng)頻率由外部模擬信號（電壓或電流）進(jìn)行設(shè)定時(shí)，可用此功能調(diào)整頻率設(shè)定信號最低時(shí)輸出頻率的高低，有的變頻器當(dāng)頻率設(shè)定信號為 0%時(shí)，偏差值可作用在 0～ fmax 范圍內(nèi)，有的變頻器（如明電舍、三墾）還可對偏置極性進(jìn)行設(shè)定。 變頻器的選型及硬件配置 （ 1）通過對各主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品的性能價(jià)格比分析，選用 三墾力達(dá)公司SAMCOVMO5SPF 系列通用變頻器 的 調(diào)速 變頻器。 三肯系列通用變頻器介紹 :三墾通用變頻器采用 /Uf恒定控制方式和無速度傳感器矢量控制方式，通過電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)測定功能進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自動(dòng)測量，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器矢量控制。 另外還有數(shù)據(jù)拷貝、用戶初始值設(shè)定 (操作面板內(nèi)具有原廠和機(jī)械配套廠 2 種初始值記憶區(qū)，可供用戶選擇 )、變更代碼查詢、自 定義多功能輸入 /輸出端子和模擬輸出功能等功能。FLASH 和 JPI 為版本升級用端子 ； TRA 和 TRB、 RXR 為 RS485 電阻端； AOUT1 和 AOUT2 為模擬信號輸出端子 ； DO DO2 和 DO3 為多功能輸出端子，分別控制：運(yùn)轉(zhuǎn)中、頻 率一致和過負(fù)載預(yù)報(bào)信號往開路集電 極傳送 ； U、 V、 W 是 三相交流電輸出端子。、 （ 2） SAMCOVMO5SPF 變頻器的控制電路端子說明： R、 S、 T 為三相電源輸入端子，從變壓器二次側(cè)三相交流電網(wǎng)引入電能； FA、 FB、FC 為異常報(bào)警信號輸出端子以及功能接點(diǎn)輸出端子； DI1DI8 為數(shù)字信號多功能 輸入端子，接受電位器傳達(dá)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、多段調(diào)速和空轉(zhuǎn)等程序指令 DCM1 和 DCM2 為數(shù)字信號共用端子，加 24V外部電源配合使用 。 l％，與前幾代變頻器相比，在指令響應(yīng)和負(fù)載響應(yīng)性能方面都有提高； IHF/IPF 系列變頻器還具有 /Uf控制方式，以供選擇使用；最新一代 SAMCOvm05 系列通用變頻器采用了最新的科研成果，整體性能上又有了新的飛躍 。同時(shí)具備電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)檢測功能，因此能實(shí)現(xiàn)在各種運(yùn)行條件下對電機(jī)的最佳控制。 (6) 頻率設(shè)定信號增益 此功能僅在用外部模擬信號設(shè)定頻率時(shí)才有效。頻率限制是為防止誤操作或外接頻率設(shè)定信號源出故障，而引起輸出頻率的過高或過低，以防損壞設(shè)備的一種保護(hù)功能。 (3) 電子熱過載保護(hù) 本功能為保護(hù)電動(dòng)機(jī)過熱而設(shè)置，它是變頻器內(nèi) CPU 根據(jù)運(yùn) 轉(zhuǎn)電流值和頻率計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的溫升，從而進(jìn)行過熱保護(hù)。 (2) 轉(zhuǎn)矩提升 又叫轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，是為補(bǔ)償因電動(dòng)機(jī)定子繞組電阻所引起的低速時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，而把低頻率范圍 f/V 增大的方法。通常用頻率設(shè)定信號上升、下降來確定加減速時(shí)間。但有些參數(shù)由于和實(shí)際使用情況有很大關(guān)系，且有的還相互關(guān)聯(lián)，因此要根據(jù)實(shí)際進(jìn)行設(shè)定和調(diào)試。如果脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，脈沖的面積和正弦波形等效，則為 SPWM調(diào)制。 整 流 逆 變RST交 流直 流交 流UWVDU3 8 V5 0 H Z0 ～ 3 8 0 VO — l O O H Z 圖 32 交 直 交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 交 直 交變頻器主電路