【文章內(nèi)容簡介】 況來選擇變頻器驅(qū)動一臺電機泵時的容量選擇：變頻器容量是變頻器的最重要的參數(shù)，如何選擇變頻器容量是變頻器選型的關(guān)鍵。在計算容量前應(yīng)先考慮三個方面的因素：①用變頻器供電時，電動機電流的脈動相對工頻供電時要大些；②電動機的啟動要求。即是由低頻低壓啟動，還是額定電壓、額定頻率直接啟動。③變頻器使用說明書中的相關(guān)數(shù)據(jù)是用該公司的標準電機測試出來的。要注意按常規(guī)設(shè)計生產(chǎn)的電機在性能上可能有一定差異．故計算變頻器的容量時要留適當余量。在該供水廠設(shè)計中，雖然選擇了一拖三的變頻方式，但在變頻器實際運行中，變頻器采用變頻循環(huán)工作方式，電機泵并聯(lián)運行，即只有一臺電機泵在通過變頻器變頻運行，所以，只需考慮一臺電機泵的負載電流從而計算出變頻器容量。變頻器額定容量： （27）其中： ——電動機額定電壓（線性）；——電動機額定電流（線性）。（2）變頻器其它參數(shù)的確定在選擇變頻器時，除了計算變頻器容量外，還應(yīng)該結(jié)合供水廠的特殊工作環(huán)境，注意變頻器的其他參數(shù)要求：①頻率要求：由于供水廠電機泵采用50Hz、380V電網(wǎng)，因此對變頻器采用380V電源，變頻范圍5～50Hz；②擴展要求：要求能按設(shè)計實現(xiàn)一拖三運行，并能擴展為一拖多運行；③環(huán)境要求：由于供水廠泵房溫度范圍在10186。C～40186。C，濕度常年保持在50％以上，因此，對變頻器及控制電路要求較高的溫濕度要求，在溫度10186。C～50186。C、濕度在30％～90％環(huán)境中要求變頻器能正常工作；④保護功能要求：要求具有過電流、短路、過壓、欠壓、過載、過熱、電流保護、主器件自保護功能；⑤可靠性要求：要求變壓器平均無故障時間(MTBF)大于2萬小時；⑥諧波抑制：對電網(wǎng)諧波污染必須滿足IEEE5191992的諧波抑制標準；⑦尺寸要求：變頻器及控制電路的尺寸不宜過大，以方便安裝在空間較小的送水泵房內(nèi)。（3）變頻器選型確定該供水廠設(shè)計為低壓低頻啟動，非周期性負載變化，但在供水高峰，負載最大且基本恒定。根據(jù)以上方法，考慮目前的變頻器分類，確定該水廠變頻器為富士FRN160P11S4CX通用變頻器，配接電動機功率160kW。FRN160P11S4CX通用變頻器為低噪音高性能多功能變頻器，動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制，帶PG反饋更高性能的控制系統(tǒng)，操作簡單，具有自動節(jié)能功能，可簡單的實現(xiàn)節(jié)能運行。主要應(yīng)用于風機和水泵，如恒壓供水等。其輸入電源電壓允許波動15%～10%，輸入電源頻率允許波動5%～+5%，三相380V電壓供電，裝置容量232kVA，額定電流304A，～120Hz。由于接觸器KM1和KMKM5和KMKM9和KM10一旦同時接通，將使工頻電源與變頻器的輸出端相接，是變頻器的逆變橋迅速損壞，所以必須確保開關(guān)KM1和KMKM5和KMKM9和KM10電氣聯(lián)鎖，聯(lián)鎖功能由開關(guān)柜自身實現(xiàn)。（KM1～KM13）選型由于當控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，水泵電機需要手動啟動，所以在選擇交流接觸器時需要考慮電動機的啟動電流。電機的啟動電流比額定工作電流大，本設(shè)計中電機泵M1～M3所選電機Y315L14/，而電機泵M4所選電機Y200L22/37kw的啟動電流是額定電流的7倍。但由于啟動時間較短，～，即：（28）（29）其中：——交流接觸器KM1～KM12的電流取值范圍；——交流接觸器KM13的電流取值范圍；——電機泵M1～M3的額定電流；——電機泵M4的額定電流。由此可知，交流接觸器KM1～KM12可選擇正泰NC2400，其額定工作電流400A；交流接觸器KM13可選擇正泰NC2115，其額定工作電流115A。當主供水水泵電機MMM3接至工頻電源時，變頻器的熱保護功能是無法對電動機實現(xiàn)過載保護的。為了對各臺電動機實現(xiàn)過載保護，并顯示電機當前的工作電流，在每臺電動機三相輸入電源前面接入了電流互感器TATATA3。電流互感器與熱繼電器BBBBBB3以及電流表PGPGPG3相連。電流表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)?？刂婆_上還應(yīng)設(shè)一個多段LED顯示器，以顯示從變頻器PLC控制器內(nèi)取得變頻器運行參數(shù)，并能方便操作人員進行常用變頻器參數(shù)設(shè)定。另外，由于附屬小泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，所以只需為其適配一臺熱繼電器BB4即可實現(xiàn)對附屬小泵的過載保護。（BB1～BB4）選型熱繼電器的額定電流應(yīng)大于電動機額定電流，然后根據(jù)該額定電流來選擇熱繼電器的型號；另外，熱元件的額定電流應(yīng)略大于電動機額定電流，～，即：(210)(211)其中： ——熱繼電器BB1～BB3的電流取值范圍；——熱繼電器BB4的電流取值范圍；——電機泵M1～M3的額定電流；——電機泵M4的額定電流。由此可知，熱繼電器BB1～BB3可選擇正泰NR3系列熱繼電器NR3370，其整定電流范圍為250～400A；熱繼電器BB4可選擇施耐德LR2D系列熱過載繼電器LR2D3363C，其整定電流范圍為63～80A，應(yīng)用于電動機的過載、缺相保護。(FA1～FA10)選型（1）熔斷器FA1負責控制電路的保護，這里熔斷器選擇正泰RS3125A。（2）變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器FAFA3和FA4，～，即：(212)(213)其中： ——熔斷器FAFA3和FA4的電流取值范圍；——熔斷器FAFA9和FA10的電流取值范圍；——電機泵M1～M3的額定電流；——電機泵M4的額定電流。由此可知，熔斷器FA2～FA4可選擇天正RT163，額定電流560A；熔斷器FA8～FA10可選擇天正RT161，額定電流160A。（3）熔斷器FAFA6和FA7負責保護電壓表PVPV2和PV3，由于此處電流較小，所以選擇小電流熔斷器正泰RS141A。 (TA1～TA3)及電流表(PG1～PG3)選型本設(shè)計中，電流互感器的作用就是用于測量電動機的工作電流，它可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來進行保護、測量等用途。該系統(tǒng)中，依據(jù)交流接觸器KM1～～，電流互感器(TA1～TA3) 500/5，電流表(PG1～PG3)配合刻度為500A，實際電流為5A的標準電流表。（QS1～QS6）及電壓表（PV1～PV3）選型斷路器是控制電流通斷的設(shè)備，作用是切斷和接通負荷電路，主要用于對線路及設(shè)備進行保護，當電路中出現(xiàn)過載、短路、欠壓等故障時，能迅速切斷故障電路，防止事故擴大，保護線路、負載及相關(guān)設(shè)備的安全。在對斷路器進行選擇的時候，首先根據(jù)具體使用條件選擇類別，再按電路的額定電流及對保護的要求來確定具體參數(shù)。本設(shè)計中額定電流在630A以下，短路電流不太大，首選塑殼式斷路器。對于低壓進線斷路器設(shè)計選型中應(yīng)采用哪一個參數(shù)，沒有明確的規(guī)定，各種手冊也沒有明確的說法。大多數(shù)手冊指出：斷路器的額定短路通斷能力等于或大于線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流，一般按有效值計算。據(jù)此，本設(shè)計依據(jù)熔斷器的電流取值范圍對斷路器進行選型。（1）對于主供水電路電機泵M1～M3，其熔斷器FA～，則斷路器（QS1～QS4）可選擇 DZ20J800A 塑殼式斷路器；（2）對于附屬電機泵M4，其熔斷器FA～，則斷路器（QS5）可選擇DZ20J225A 塑殼式斷路器；（3）對于電壓測量電路，由于此處電流較小，則斷路器（QS6）可選擇天正DZ47631PD 6A高分斷小型斷路器。電壓表（PV1～PV3）用于測量三相電網(wǎng)電壓，便于工作人員對電源電壓進行實時監(jiān)控。這里電壓表PVPVPV3可選用量程450V的6L2450V電壓表。當系統(tǒng)采用手動方式運行時，由于本設(shè)計中電機泵的功率較大，所以不允許直接啟動。對此，本設(shè)計中采用自耦變壓器進行降壓啟動，以減少電動機啟動時電流對輸電網(wǎng)絡(luò)的影響。在選擇自耦變壓器時，應(yīng)與電機的額定功率、額定電流相匹配。因此，根據(jù)該水廠主供水電機泵Y315L14/160kw，確定自耦變壓器為天正電氣QZB系列型號為QZB160kw的自耦變壓器。該自耦變壓器適用于380V、50Hz、容量160kw的三相鼠籠式異步電動機作不頻繁自耦降壓啟動。其功率160kw，控制電動機功率160kw，電動機額定電流參考值295A。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目標，常用的控制方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量。因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變。這種控制方法是過改變水的動能來改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制，其工作原理是根據(jù)用戶用水量變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時機加速，用水量減小時電機減速。 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線當用閥門控制時，假設(shè)供水量高峰期水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0。當供水量從Q1減小到Q2，時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從β3移到β1。揚程特性曲線不變，而揚程則從H0升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵輸出功率即為(0,Q2,F,H1)圍成的矩形部分，其值為： （214）當用調(diào)速控制時，若采用恒壓（H0）、變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率為(0,Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為： （215）可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為(H0,D,F,H1)圍成的矩形面積，其值為：（216） 從公式可以看出，當用閥門控制流量時，有值為 的功率被浪費掉。隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力也不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，造成被浪費的功率也隨之增加。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量Q、揚程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系為：（217） 式中，QHP1為變速前的流量、揚程、功率，QHP2為變速后的流量、揚程、功率。由公式()可以看出，水泵功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式相比閥門控制方式其供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。本章根據(jù)供水系統(tǒng)的基本特性以及水泵的調(diào)速方式，結(jié)合多種供水方式的特點，確定選擇變頻調(diào)速供水方式。并對多種變頻恒壓供水系統(tǒng)方案進行比較分析，最終確定使用“通用變頻器＋PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)＋人機界面＋壓力傳感器”的控制方案。之后，依據(jù)系統(tǒng)控制方案對變頻恒壓供水系統(tǒng)進行了主電路設(shè)計，并對主電路中的硬件設(shè)備進行了計算選型。最后，根據(jù)揚程特性曲線和管阻特性曲線分析得出用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并且水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速方式要比閥門控制方式獲得更加顯著的節(jié)能效果。第3章 供水系統(tǒng)控制電路設(shè)計根據(jù)恒壓供水系統(tǒng)控制方案原理框圖、系統(tǒng)構(gòu)成圖及主供水電路原理圖。在系統(tǒng)控制過程中，系統(tǒng)通過PLC將反饋壓力信號與給定壓力值進行比較，經(jīng)內(nèi)部PID運算，得出控制量，再由PLC輸出信號，作為變頻器所需的控制電壓改變電機泵轉(zhuǎn)速，最終調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力。當壓力不能滿足要求時，通過PLC程序控制將原來運行在變頻狀態(tài)下的水泵切換到工頻運行，把另一臺水泵投入到變頻運行，之后，重復(fù)上述操作。在變頻器發(fā)生故障時傳信號給可編程控制器PLC報警，切除變頻器，由PLC控制，采用手動啟動方式供水。為避免某一臺電機泵持續(xù)工作時間過長系統(tǒng)還具有“倒泵功能”。另外，控制系統(tǒng)還必須對外部信號進行實時監(jiān)控、及時處理，并根據(jù)具體需要發(fā)出相應(yīng)的控制指令，以確保整個工作系統(tǒng)的正常運行。 恒壓供水系統(tǒng)控制電路原理圖為了讓工作人員能夠清晰的觀察系統(tǒng)運行狀況，并對系統(tǒng)故障能夠及時了解，迅速知道系統(tǒng)故障發(fā)生的位置。系統(tǒng)要求具有對每個運行環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控指示的功能，并且當1～4電機泵和變頻器有過載運行情況發(fā)生時，系統(tǒng)能夠進行聲光報警，并指示過載位置。 供水系統(tǒng)運行指示圖 PLC及其擴展模塊選型 PLC選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換等。在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件方便與否等多方面因素。考慮到該供水廠參數(shù)較多，除了常見壓力反饋信號，還需要對清水池液位信號、閥門開啟信號等進行處理，因此設(shè)計采用PLC控制系統(tǒng)，主要利用PID控制壓力恒定，并能控制電機的啟動停止和泵口閥門的啟閉。經(jīng)過對目前市場上的PLC參數(shù)及性能進行分析比較，決定選擇三菱公司推出的FX2N32MR型號的PLC。FX2N系列是FX家族中最先進的PLC系列，且該型號PLC是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，具有較高的性價比，應(yīng)用廣泛。FX2N32MR型號的PLC采用整體式和模塊式相結(jié)合的裝疊式結(jié)構(gòu)，基本單位有32點，繼電器輸出，I/O點數(shù)最大可擴展到256點。它有內(nèi)置8k步的RAM，使用存儲卡盒后，最大容量可擴到16k步，編程指令多達327條。運算時，不僅能完成邏輯控制、順序控制、模擬量控制、位置控制、高速計數(shù)等功能，還能做數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運算、平方根及浮點數(shù)運算、PID運算等更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，具有容量大、運行速度快、指