【文章內(nèi)容簡介】 變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線 R1 保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果水泵轉(zhuǎn)速從 n0 降到 n1，水泵性能 曲線從 n0 平移到 n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從 A 點(diǎn)移到C 點(diǎn)，揚(yáng)程從 H0 下降到 H2，流量從 Q0 減少到 Q1。在圖 23 中，水泵運(yùn)行在 B 點(diǎn)時消耗的軸功率與 H B、 Q 0 的面積成正比，運(yùn)行在 C 點(diǎn)時消耗的軸功率與 H C、 Q 14 0 的面積成正比。從圖上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。 求出運(yùn)行在 B 點(diǎn)的泵的軸功率 ： ?11HkQNB ? (211) 運(yùn)行在 C點(diǎn)時泵的軸功率 ： ?21HkQNC ? (212) 兩者之差： ?121 )( kQHHNNN CB ????? (213) H10H 2HsjH0 Q1Q 0Q 1n0nABC 圖 23 水泵節(jié)能分析圖 pumps of energysaving plans 也就是說，采用閥門控制流量時有 N? 的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電 機(jī)時，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。 2. 5 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(yáng)程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚(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)，電動機(jī)的負(fù)載率在 50%～ 100%范圍內(nèi)變化，電動機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。 15 啟動頻率一般來說，水泵在低速運(yùn)行的意義并不大，有的水泵并不能從 0Hz 開始啟動，所以，應(yīng)該預(yù)置運(yùn)轉(zhuǎn)開始頻率一下，變頻器處于待機(jī)狀態(tài)，一利于更好的節(jié)能。所以，在變頻啟動無過流的前提下，運(yùn)轉(zhuǎn)開始頻率可預(yù)置的高一些，一般設(shè)定范圍為 0～ 20Hz(也可以通過預(yù)置下限頻率來達(dá)到目的 )。 最高頻率：水泵屬于平方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時，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％ (nx＝ )時，轉(zhuǎn)矩將比額定轉(zhuǎn)矩超過 21％ (Tx＝ )，導(dǎo)致電動機(jī)嚴(yán)重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定轉(zhuǎn)矩的，其最高頻率只能與額定頻率相等， fmax＝ fN＝ 50Hz。 一般來說，上限頻率也以等于額定頻率為宜，但有時也可以預(yù)置的略低一些，原因有二： 1) 變頻器由于內(nèi)部往往具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，所以，在同是 50Hz 的 情況下，水泵在變頻運(yùn)行時，實際轉(zhuǎn)速要高于工頻運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電機(jī)的負(fù)載； 2) 變頻調(diào)速系統(tǒng)在 50Hz 下運(yùn)行時，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 ， 因此，將上限頻率預(yù)置為 49Hz 或 最合適。 下限頻率： 在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低時會出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程 (實際揚(yáng)程 )形成水泵 “ 空轉(zhuǎn) ” 的現(xiàn)象。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率應(yīng)定為 30Hz～ 35Hz。 16 3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 3. 1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及原理 構(gòu)成 [5]： 本系統(tǒng)以由三臺主水泵 (1泵、 2泵、 3泵 )、一臺輔助水泵 (4泵 )、一臺變頻器，一臺PLC、一個遠(yuǎn)傳壓力表及若干輔助部件構(gòu)成，如圖 31 所示。各部分功能如下 ： 1) 水泵用來提高水壓以實現(xiàn)向高處供水 ； 2) 安裝于供水管道上的遠(yuǎn)傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成 420mA 的電信號 ； 3) 變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量 ； 4) PLC 用于水泵的邏輯切換、控制及供水壓力的 PID 控制等 ； 5) 外圍輔助電路 可 以當(dāng)自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù)生產(chǎn)。 變 頻 器P L C用戶 水 源遠(yuǎn) 程 壓 力 表控 制信 號電 源K M 2 K M 4 K M 6 K M 7 K M 1 K M 3 K M 51 2 3 4 M3 ～M3 ～M3 ～M3 ～ 圖 31 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 The structeue chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities 17 原理 ： 原理圖如圖 32 所示。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號轉(zhuǎn)換成電流信號再經(jīng) PLC 的擴(kuò)展模塊 PID 運(yùn)算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵水量以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，由此構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、 下限頻率信號及其持續(xù)時間長短可作為 PLC 進(jìn)行邏輯切換、起停泵的依據(jù) [6]。 變 頻 器P L C水 泵 電 機(jī)遠(yuǎn) 程 壓 力 表出 口 水 壓 檢 測 點(diǎn)用 戶 圖 32 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理圖 Principle chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities 當(dāng)用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行 ； 當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，變頻器的高速信號 (即變頻器的頻率上限信號 )被 PLC檢測到，如果頻率上限信號持續(xù)出現(xiàn)一定時間， PLC 自動將原工作在變頻 狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，同時將另一臺備用的泵用變頻器起動后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。若兩臺泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能達(dá)到設(shè)定壓力，則將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，而將另一臺備用泵投入變頻運(yùn)行。 當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器己工作在最低速信號 (即變頻器的頻率下限信號 )有效，如果頻率下限信號持續(xù)出現(xiàn)， PLC 首先將工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。 當(dāng)變頻器下限信號持續(xù)出現(xiàn)一定時間， PLC 再停掉一臺工頻運(yùn)行的水泵電機(jī)，只剩一臺泵用變頻器控制供水，如果變頻器下限信號還持續(xù)出現(xiàn)，則進(jìn)入小容量的輔助 水泵變頻運(yùn)行 (特別適合深夜用水量較小時 )[7]。 3. 2 系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能 系統(tǒng)要求實現(xiàn)如下功能 ： 1) 全自動運(yùn)行 合上自動開關(guān)后， 1泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從 0Hz 上升，同時 PID 調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h(yuǎn)傳壓力表的信號，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升，直到 50Hz， 1泵由變頻切換為工頻，同時對 2泵進(jìn)行變頻啟 18 動，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推 ； 如用水量減小 (壓力過大 )，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動的泵先切除。若有電源瞬時停電的情況，則 系統(tǒng)停機(jī) 。 待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動運(yùn)行方式啟動 1泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行 。變頻自動控制功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵軟 啟 動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。 2) 手動運(yùn)行 當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表故障或變頻器故障時，為確保用水，四臺泵可分別以手動控制方式工頻運(yùn)行。 3) 停止 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動。 4) 采用 “ 自動切換 ” 和 “ 先啟先停 ” 原則 “ 自動切換 ” 是指當(dāng)一臺單獨(dú)運(yùn)行水泵或者有兩臺同時運(yùn)行的水泵，運(yùn)行在這種狀態(tài)下持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時 間時自動換泵運(yùn)行。 “ 先啟先停 ” 是指哪一臺先啟動的水泵在壓力過大時也先被切除，這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運(yùn)行時間接近，防止有的泵運(yùn)行時間過長， 而有的泵卻長時間不用而銹死，從而延長了設(shè)備的使用壽命。 5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PLC 的擴(kuò)展模塊 PID 運(yùn)算送給變頻器， 并給出信號直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)在運(yùn)行 的水泵全速運(yùn)行，還未達(dá)到給定壓力時，變頻運(yùn)行的泵被切換到工頻運(yùn)行，變頻器將啟動另一臺泵 (即采用軟啟動 )。 6) 完善的各種保護(hù)、報警功能 對工頻電源和變頻電源 在供電控制回路上實現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生。當(dāng)水泵的功率較大時，為防止直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器來啟動水泵。運(yùn)行的水泵在斷開電源后，利用其運(yùn)行的慣性切換到工頻，可避免切換過程中產(chǎn)生過電流。 電動機(jī)的熱保護(hù)。雖然水泵在低速運(yùn)行時，電動機(jī)的工作電流較小，但是當(dāng)用戶用水量變化頻繁時，電動機(jī)將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時電動機(jī)的電流可能超過額定電流，導(dǎo)致電動機(jī)過熱。因此電動機(jī)的熱保護(hù)是必須的。 具有缺水保護(hù)功能。當(dāng)水泵工作在自動狀態(tài)，為防止當(dāng)水池沒水時水泵空載運(yùn)行，燒壞水泵電機(jī)，系統(tǒng) 設(shè)計一缺水保護(hù)電路。當(dāng)水池缺水時，保護(hù)電路中繼電器常開觸點(diǎn)斷開，切斷控制電路電源，從而保護(hù)系統(tǒng)。 19 7) 滿足用戶在用水高峰時的用水要求 根據(jù)用戶最大用水量和供水高度的計算，本系統(tǒng)采用揚(yáng)程 61m，流量 立方米每小時，軸功率 的主泵三臺 ； 揚(yáng)程 48m， 流量 7 立方米每小時，配套功率 輔泵一臺。系統(tǒng)最大功率為 ，揚(yáng)程為 61m。 20 4 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)硬件部分主要由變頻器、 PLC、遠(yuǎn)傳壓 力表、氣壓罐、水泵等組成，硬件部分設(shè)計主要包括以上設(shè)備的選型和主電路、控制電路的設(shè)計。 4. 1 變頻器的工作原理和選擇 變頻器是采用交 直 交電源變換技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品，它通過改變電動機(jī)工作電源頻率從而達(dá)到改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。它在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中起著非常重要作用，是水泵電機(jī)調(diào)速的執(zhí)行者 [8]。 4. 1. 1 變頻調(diào)速基本原理 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系 ： )1(60 spfn ?? (41) 式中， n 表示電機(jī)轉(zhuǎn)速； f 表示電源頻率； s 表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率； P 表示電機(jī)磁極對數(shù)。 通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交 直 交電源變換技術(shù)、電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。 實際上，若僅改變 電源的頻率則不能獲得異步電動機(jī)滿意的調(diào)整性能。因此，必須在調(diào)節(jié) 1f 的同時，對定子相電壓 1u 也進(jìn)行調(diào)節(jié)，使 1f 與 1u 之間存在一定的比例 關(guān)系。故變頻電源實際上是變頻變壓電源，而變頻調(diào)速準(zhǔn)確的稱呼應(yīng)是變頻變壓調(diào)速，其英文術(shù)語為Variable Voltage Variable Frequency， 又簡稱為 VVVF 調(diào)速器。根據(jù) 1f 與 1u 的關(guān)系，變頻調(diào)速原則上主要有以下兩種 ： 1) 恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速 (恒磁通變頻調(diào)速 ) 由異步電動機(jī)的電勢方程知 ： 電動機(jī)定子相電壓 1u 近似與電源 1f 、磁通 ? 的乘積成正比。故若 1u 一定時，則 ? 必將隨著 1f 的變化而變。若 1f 從額定值 (我國通常為 50Hz)往下調(diào)節(jié)時， ? 就增大。而電動機(jī)在設(shè)計時，為了充分利用鐵 芯材料，一般都把 ? 值選在接近磁飽和和數(shù)值附近。因此， ? 的增大，就會導(dǎo)致磁路過飽和，勵磁電流大大增加，這將使電 21 動機(jī)帶負(fù)載的能力降低，功率因數(shù)值變小，鐵損增加，電動 機(jī)過熱，這是不允許的。反之，若 1f 從額定值往上調(diào)節(jié)時， ? 就減小，這在一定的負(fù)載下又有過電流的危險 .為此通常要求磁通恒定，即 1f 與 1u 成正比關(guān)系，即 2211 fufu ? (42) 式 (42)中 2u ， 2f 為電動機(jī)在非額定工況時的定子電壓和電源頻率。 又由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程式知，當(dāng)有功電流 2i 額定時， ? 一定時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 M也一 定，故恒磁通即恒轉(zhuǎn)矩。 2) 恒功率變頻調(diào)速 當(dāng)電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)轉(zhuǎn)時，定子頻率將大于額定頻率。這時若仍采用恒磁通變頻調(diào)速，則要求電動機(jī)的定子電壓隨著升高?？墒请妱訖C(jī)繞組本身不允許承受過高的電壓，電壓必須限制在允許的范圍內(nèi)，這就不能再應(yīng)用恒磁通變頻調(diào)速。在這種情況下，可以采用恒功率變頻調(diào)速。根據(jù)推導(dǎo)可知，恒功率調(diào)速必須滿足以下兩個條件 ： ??2211 fufu 定值 (43) 由于恒功率變頻調(diào)速時 ? 必將發(fā)生變化，故電動機(jī)效率和功率因數(shù)將有可能下降。 從上面對恒磁通和恒功率的變頻調(diào)速特性分析可以得知