【文章內(nèi)容簡介】 器3%阻抗電感量的2~3倍，6) 輸出側(cè)交流電抗器(2ACL)變頻器的輸出是經(jīng)PWM調(diào)制的電壓波，由于電動機繞組的電感性質(zhì)能使電流連續(xù)，因此電流基本上是正弦形的，脈沖寬度調(diào)制(PWM)有著陡峭的電壓上升和下降的前后沿，即dv/dt很大，使得輸出引線向外界發(fā)射含量極大的電磁干擾，并且在引出線對地、電機繞組匝間、繞組對地間都產(chǎn)生很大的脈沖電流，為了減輕變頻器輸出dv/dt對外界的干擾，降低輸出波形畸變，達到環(huán)保標準，減少對電機繞組的電壓沖擊造成絕緣損壞，降低電機的溫升和噪音，避免在變頻器輸出功率管上因dv/dt和流過過大的脈沖沖擊電流使功率管損壞，以及降低負載短路造成對變頻器的損傷，有必要在變頻器輸端增設交流電抗器。 7) 制動單元和制動電阻(BD和DBR) 小功率制動單元一般在變頻器內(nèi)部，外部只接制動電阻。大功率的制動單元由外接的制動單元接到變頻器母線上，當電機制動時，電機的電能反饋回母線，使母線電壓升高，升高到一定值時，開通制動單元的開關管，用制動電阻消耗母線上一部分電能，維持母線電壓不繼續(xù)往上升高，使電機能量消耗在制動電阻上，從而獲得制動力矩。制動單元的導線長度一般不大于5m，接到變頻器的直流母線(P+、N端)要使用雙絞線或密著平行線，其目的是減少電感，導線的截面應不小于電機輸電線的1/2～1/4。 制動電阻的阻值不是隨便選用的，它有一定范圍。太大了，制動不迅速，太小了制動用開關元件很容易燒毀。8) 熱過載繼電器(R)熱過載繼電器用來防止電機過熱，但這種保護并不可靠。對重要場合應實際檢測電機溫度，埋設溫度檢測元件到電機槽內(nèi)或繞組附近。當變頻器使用普通電機時，因PWM波導致電機鐵耗、銅耗和絕緣介質(zhì)損耗的增加，溫升會比通常應用時加大，因此熱過載繼電器的溫度整定值應按電機絕緣等級選擇。5 系統(tǒng)設計 概述采用西門子PLC及變頻器為主控單元，配合接觸器、繼電器實現(xiàn)恒壓變量供水系統(tǒng)的智能控制。本設計在供水系統(tǒng)中得到了成功的應用，不僅供水壓力穩(wěn)定，滿足用水需要，而且具有很好的節(jié)能節(jié)水效果，極具推廣價值。提出了供水系統(tǒng)的總體設計方案，并論述了硬件電路的設計和軟件的實現(xiàn)方法， 通過運行實測，分析了節(jié)能節(jié)水的效果。 供水系統(tǒng)的總體方案設計為了保證穩(wěn)定供水，建一貯水池，采用4臺45kW水泵和變頻調(diào)速裝置構成一個完整的微機控制恒壓供水系統(tǒng)，如圖2所示。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供水量，保證管網(wǎng)壓力恒定（誤差177。 MPa），實現(xiàn)恒壓變量控制供水方式，從而達到節(jié)能、節(jié)水的目的，滿足用水需要 圖2 恒壓變頻供水系統(tǒng)結(jié)構圖 供水系統(tǒng)的工藝要求1）供水壓力要求恒定，波動一定要小。尤其是在換泵時2）4臺水泵自動變頻軟起動，并根據(jù)用水量大小自動調(diào)節(jié)開泵臺數(shù)。根據(jù)壓力設定采用“先啟先停”的原則。3）電控自動狀態(tài)時，4臺水泵自動輪換變頻運行，工作泵故障時備用泵自動投人，可轉(zhuǎn)換自動或人工手動開、停機。4）設備具有缺相、欠壓、過壓、短路、過載等多種電氣保護功能，具有相序保護防止水泵反轉(zhuǎn)抽空，并具有缺水保護及水位恢復開機功能。5）有設備工作、停機、報警指示。 總體設計方法考慮恒壓系統(tǒng)主要在高峰期投入使用，宜采用一臺變頻器控制4臺水泵的“一控四”切換方案。以西門子S7200（CPU224）的PLC和森蘭BT12S變頻器為控制核心，采用變頻率控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過對用戶管網(wǎng)壓力進行實時采樣，并與設定壓力值比較，根據(jù)壓力偏差來控制變頻泵的速度變頻器頻率由PLC通過模擬量輸出端輸出05 (10) V信號控制及定量PLC通過開關量輸出控制泵的起、停，實現(xiàn)恒壓變量的供水方式，從而更好地達到節(jié)能、節(jié)水的效果。當用戶管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，控制器通過壓力傳感器檢測，輸出控制信號起動其中一臺水泵作變頻運行，通過控制變頻泵使用戶管網(wǎng)壓力與設定壓力值相等。如用戶用水量較大，變頻器輸出頻率為50 Hz，變頻泵轉(zhuǎn)速達到最高，用戶管網(wǎng)壓力低于設定壓力，控制器將變頻泵切換成工頻運行，待變頻器輸出頻率下降至最低值時再接通另一臺水泵，由一臺工頻泵和一臺變頻泵同時供水。經(jīng)過變頻泵的調(diào)節(jié)，如管網(wǎng)壓力仍低于設定值，控制器以同樣的方式將運行頻率為50 Hz的變頻泵切換成工頻運行，而后繼續(xù)起動另外一臺水泵作變頻運行，直至滿足用戶用水要求。 當用戶用水量較少，變頻泵轉(zhuǎn)速降到一定程度時，控制器自動停止最先運行的定量泵，并根據(jù)管網(wǎng)壓力調(diào)整變頻泵轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定。這樣每臺水泵的起動均經(jīng)變頻器控制，全部機組實現(xiàn)循環(huán)軟起動，即每臺泵的起動頻率都從設定的最低頻率開始逐漸上升，并遵循“先開的泵先停，先停的泵先開”的原則。當外來管網(wǎng)壓力達到設定壓力值時，則控制器完全停止各泵工作，由外界管網(wǎng)直接向用戶供水。 硬件電路設計 本系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示，它由4臺45kW離心水泵，一臺智能型電控柜（包括森蘭變頻器、西門子PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、缺水保護器、斷相相序保護裝置以及供電主回路等構成。該系統(tǒng)的核心是S7200（CPU224）和BT12S。BT12S是水泵專用變頻器，擴展功能強．CPU224集成了14點輸入/10點輸出，共有24點數(shù)字量I/0，其模擬量擴展模塊具有較大的適應性和靈活性，且安裝方便，滿足設計需要。圖3 供水系統(tǒng)硬件電路 供水系統(tǒng)主電路如圖4所示，該系統(tǒng)有4臺巧45kW電動機，分別拖動4臺水泵。合上空氣開關后，當交流接觸器KMKMKMKM7主觸點閉合時，水泵為工頻運行；當KMKMKMKM8主觸點閉合時，水泵為變頻運行。4個熱繼電器KR1～KR4分別對4臺電動機進行保護，避免電動機在過載時可能產(chǎn)生的過熱損壞。圖4 供水系統(tǒng)主回路 供水系統(tǒng)控制電路[2]如圖5所示，～，, , , ；、。SA為轉(zhuǎn)換開關，實現(xiàn)手動、自動控制切換。當SAC切在手動位時，通過SF1～SF4按鈕分別起動4臺水泵工頻運行．當SA在自動位時，由PLC控制水泵進行變頻或工頻狀態(tài)的起動、切換、停止運行。KA為缺水保護電路的中間繼電器觸點，當水池缺水或水位不足時，配合缺水保護裝置斷開控制電路，切斷主電路，實現(xiàn)缺水保護作用。 圖5 供水系統(tǒng)控制電路 PLC及變頻器控制模塊電路 PLC及變頻器控制模塊是本系統(tǒng)的核心，它包括缺水保護電路、斷相相序保護電路。1）缺水保護電路[5] 當水池缺水或水位不足時，若不及時切斷電源就會損壞水泵，甚至發(fā)生事故。本系統(tǒng)設置了缺水自動保護電路，如圖6所示。利用液位繼電器等裝置時刻檢測水池里的水位，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換及處理后對控制回路電源進行控制。水池水位正常時，控制回路電源接通，系統(tǒng)正常工作。水池缺水或水位不足時，液位繼電器1K釋放，系統(tǒng)報警、指示燈亮并通過KA切斷系統(tǒng)控制電路及主電路，水泵停止。待排除故障，水位正常后，液位繼電器1K吸合，重新起動系統(tǒng)圖6 缺水保護電路2）斷相相序保護電路 水泵工作在三相交流電，電源發(fā)生缺相時，電動機中某一相無電流，而另外兩相電流會增大，容易燒壞電動機；另外，為了避免電源相序相反，電動機反轉(zhuǎn)水泵抽空的現(xiàn)象，設置了缺相相序保護電路，如圖7所示。采用缺相相序保護繼電器KP接在主電路電源進線空氣開關之后，三相正常時，KP得電吸合，控制電路中KP的12觸點吸合，接通PLC控制電路。反之，缺相或反相時，KP的12觸點斷開，會切斷PLC控制電路，系統(tǒng)停止工作，缺相相序保護指示燈亮。圖7 缺相相序保護電路 森蘭BT12S系列變頻器 森蘭BT12S系列變頻器型號說明圖8 型號說明圖 森蘭BT12S系列作水泵專用變頻器的接法圖9 BT12S作水泵專用變頻器接法 BT12S系列變頻器標準規(guī)范[1]BT12S系列變頻器標準規(guī)范見附錄 主電路端子1）、主電路端子排列見圖10圖10 主電路端子排2）、主電路端子說明表3 主電路端子說明符號端子功能說明R、S、T主電路電源端子、連接三相電源U、V、W變頻器輸出端子、連接三相電動機PP+連接改善功率因數(shù)的直流電抗器P+、DB連接外部制動電阻P+、N連接外部制動單元PE變頻器的安全接地端子 控制電路端子1）、 控制電路端子排列表4主控制板端子30PA30PB30PCVRFIRFVPFIPFY2REVFARESETLA230A30B30C+5VGNDFMA+24VY1FWDCMTHRLA1表5 擴展控制板端子7KM26KM25KM24KM23KM22KM21KM27KM16KM15KM14KM13KM12KM11KM1C220 變頻器速度給定方法 利用變頻器本身的多段速度設定法[5][7] 許多變頻器本身就帶有自動調(diào)速功能。現(xiàn)以三菱FRA540變頻器為例說明。三菱FRA540變頻器本身有多段速度的設定功能，以七段速度為例，七段調(diào)速如附表所示表6操作模式：=3速度段1234567運行頻率15HZ25HZ30HZ30HZ35HZ45HZ45HZ變頻器設定=15=20=25=30=35=40=45接點RHRMRL相應PLCI/0分配Y11Y12Y13這種控制方式下，當前水位若在下限則PLC輸出高一級的變頻信號給變頻器，當七段速度均啟動工作但仍未達到上限，則啟動工頻。若已達到高水位，則PLC輸出低一級的變頻信號給變頻器。 PLC運算給出變頻器運行頻率設定信號 利用變頻器本身的多段速度控制僅需要水壓上限和下限兩個信號，控制方式簡單，編程方便。但控制精度不高。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器(本項目選擇PMC系列電子陶瓷壓力傳感器)，將壓力信號轉(zhuǎn)換成標準的DC4～20mA的模擬量信號送入PLC的擴展A/D單元，經(jīng)過A/D變換，利用PLC采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)方法計算出此時變頻器應運行的頻率，將相應的數(shù)字量信號再通過PLC擴展D/A轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成電壓信號，此時變頻器工作在F001=2外部操作模式，由VRF、GND端子之間的電壓值決定其頻率輸出。硬件原理圖見圖11。圖11 變頻器頻率由PLC給定硬件原理圖由于涉及到PLC的A/D、D/A單元，其軟件編程需注意這兩個單元初始化的方法及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健?PID調(diào)節(jié)器進行頻率設定的方法，目前應用較廣泛的是通過傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成標準的DC4～20mA的模擬量信號后，將該信號送入PID調(diào)節(jié)器