【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 況來(lái)選擇變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)泵時(shí)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(jì)算容量前應(yīng)先考慮三個(gè)方面的因素：①用變頻器供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流的脈動(dòng)相對(duì)工頻供電時(shí)要大些；②電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求。即是由低頻低壓?jiǎn)?dòng)，還是額定電壓、額定頻率直接啟動(dòng)。③變頻器使用說(shuō)明書中的相關(guān)數(shù)據(jù)是用該公司的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)測(cè)試出來(lái)的。要注意按常規(guī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的電機(jī)在性能上可能有一定差異．故計(jì)算變頻器的容量時(shí)要留適當(dāng)余量。在該供水廠設(shè)計(jì)中，雖然選擇了一拖三的變頻方式，但在變頻器實(shí)際運(yùn)行中，變頻器采用變頻循環(huán)工作方式，電機(jī)泵并聯(lián)運(yùn)行，即只有一臺(tái)電機(jī)泵在通過(guò)變頻器變頻運(yùn)行，所以，只需考慮一臺(tái)電機(jī)泵的負(fù)載電流從而計(jì)算出變頻器容量。變頻器額定容量： （27）其中： ——電動(dòng)機(jī)額定電壓（線性）；——電動(dòng)機(jī)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(shí)，除了計(jì)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(jī)泵采用50Hz、380V電網(wǎng)，因此對(duì)變頻器采用380V電源，變頻范圍5～50Hz；②擴(kuò)展要求：要求能按設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一拖三運(yùn)行，并能擴(kuò)展為一拖多運(yùn)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(duì)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(hù)功能要求：要求具有過(guò)電流、短路、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、過(guò)熱、電流保護(hù)、主器件自保護(hù)功能；⑤可靠性要求：要求變壓器平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)大于2萬(wàn)小時(shí)；⑥諧波抑制：對(duì)電網(wǎng)諧波污染必須滿足IEEE5191992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)；⑦尺寸要求：變頻器及控制電路的尺寸不宜過(guò)大，以方便安裝在空間較小的送水泵房?jī)?nèi)。（3）變頻器選型確定該供水廠設(shè)計(jì)為低壓低頻啟動(dòng)，非周期性負(fù)載變化，但在供水高峰，負(fù)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(dòng)機(jī)功率160kW。FRN160P11S4CX通用變頻器為低噪音高性能多功能變頻器，動(dòng)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(jiǎn)單，具有自動(dòng)節(jié)能功能，可簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和水泵，如恒壓供水等。其輸入電源電壓允許波動(dòng)15%～10%，輸入電源頻率允許波動(dòng)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(shí)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(kāi)關(guān)KM1和KMKM5和KMKM9和KM10電氣聯(lián)鎖，聯(lián)鎖功能由開(kāi)關(guān)柜自身實(shí)現(xiàn)。（KM1～KM13）選型由于當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，水泵電機(jī)需要手動(dòng)啟動(dòng)，所以在選擇交流接觸器時(shí)需要考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。電機(jī)的啟動(dòng)電流比額定工作電流大，本設(shè)計(jì)中電機(jī)泵M1～M3所選電機(jī)Y315L14/，而電機(jī)泵M4所選電機(jī)Y200L22/37kw的啟動(dòng)電流是額定電流的7倍。但由于啟動(dòng)時(shí)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(jī)泵M1～M3的額定電流；——電機(jī)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(dāng)主供水水泵電機(jī)MMM3接至工頻電源時(shí)，變頻器的熱保護(hù)功能是無(wú)法對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)的。為了對(duì)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，并顯示電機(jī)當(dāng)前的工作電流，在每臺(tái)電動(dòng)機(jī)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(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)?？刂婆_(tái)上還應(yīng)設(shè)一個(gè)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(yùn)行參數(shù)，并能方便操作人員進(jìn)行常用變頻器參數(shù)設(shè)定。另外，由于附屬小泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，所以只需為其適配一臺(tái)熱繼電器BB4即可實(shí)現(xiàn)對(duì)附屬小泵的過(guò)載保護(hù)。（BB1～BB4）選型熱繼電器的額定電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)額定電流，然后根據(jù)該額定電流來(lái)選擇熱繼電器的型號(hào)；另外，熱元件的額定電流應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)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(jī)泵M1～M3的額定電流；——電機(jī)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(guò)載繼電器LR2D3363C，其整定電流范圍為63～80A，應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、缺相保護(hù)。(FA1～FA10)選型（1）熔斷器FA1負(fù)責(zé)控制電路的保護(hù)，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(jī)泵M1～M3的額定電流；——電機(jī)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(fù)責(zé)保護(hù)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(jì)中，電流互感器的作用就是用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)的工作電流，它可以把數(shù)值較大的一次電流通過(guò)一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來(lái)進(jìn)行保護(hù)、測(cè)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(shí)際電流為5A的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷電路，主要用于對(duì)線路及設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電路中出現(xiàn)過(guò)載、短路、欠壓等故障時(shí)，能迅速切斷故障電路，防止事故擴(kuò)大，保護(hù)線路、負(fù)載及相關(guān)設(shè)備的安全。在對(duì)斷路器進(jìn)行選擇的時(shí)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(duì)保護(hù)的要求來(lái)確定具體參數(shù)。本設(shè)計(jì)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(duì)于低壓進(jìn)線斷路器設(shè)計(jì)選型中應(yīng)采用哪一個(gè)參數(shù)，沒(méi)有明確的規(guī)定，各種手冊(cè)也沒(méi)有明確的說(shuō)法。大多數(shù)手冊(cè)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(jì)算。據(jù)此，本設(shè)計(jì)依據(jù)熔斷器的電流取值范圍對(duì)斷路器進(jìn)行選型。（1）對(duì)于主供水電路電機(jī)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(duì)于附屬電機(jī)泵M4，其熔斷器FA～，則斷路器（QS5）可選擇DZ20J225A 塑殼式斷路器；（3）對(duì)于電壓測(cè)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?jǐn)嘈⌒蛿嗦菲?。電壓表（PV1～PV3）用于測(cè)量三相電網(wǎng)電壓，便于工作人員對(duì)電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這里電壓表PVPVPV3可選用量程450V的6L2450V電壓表。當(dāng)系統(tǒng)采用手動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，由于本設(shè)計(jì)中電機(jī)泵的功率較大，所以不允許直接啟動(dòng)。對(duì)此，本設(shè)計(jì)中采用自耦變壓器進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)，以減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)的影響。在選擇自耦變壓器時(shí)，應(yīng)與電機(jī)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(jī)泵Y315L14/160kw，確定自耦變壓器為天正電氣QZB系列型號(hào)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(dòng)機(jī)作不頻繁自耦降壓?jiǎn)?dòng)。其功率160kw，控制電動(dòng)機(jī)功率160kw，電動(dòng)機(jī)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(biāo)，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(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量。因此，管阻將隨閥門開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開(kāi)度在一段時(shí)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(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門開(kāi)度保持不變。這種控制方法是過(guò)改變水的動(dòng)能來(lái)改變流量。因此，揚(yáng)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(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線當(dāng)用閥門控制時(shí)，假設(shè)供水量高峰期水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H0。當(dāng)供水量從Q1減小到Q2，時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從β3移到β1。揚(yáng)程特性曲線不變，而揚(yáng)程則從H0升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出功率即為(0,Q2,F,H1)圍成的矩形部分，其值為： （214）當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓（H0）、變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率為(0,Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為： （215）可見(jiàn)，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(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有值為 的功率被浪費(fèi)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(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是H1增大，造成被浪費(fèi)的功率也隨之增加。根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量Q、揚(yáng)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(yáng)程、功率，QHP2為變速后的流量、揚(yáng)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(diǎn)，確定選擇變頻調(diào)速供水方式。并對(duì)多種變頻恒壓供水系統(tǒng)方案進(jìn)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(jī)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(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行了主電路設(shè)計(jì)，并對(duì)主電路中的硬件設(shè)備進(jìn)行了計(jì)算選型。最后，根據(jù)揚(yáng)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(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(jì)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(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)PLC將反饋壓力信號(hào)與給定壓力值進(jìn)行比較，經(jīng)內(nèi)部PID運(yùn)算，得出控制量，再由PLC輸出信號(hào)，作為變頻器所需的控制電壓改變電機(jī)泵轉(zhuǎn)速，最終調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力。當(dāng)壓力不能滿足要求時(shí)，通過(guò)PLC程序控制將原來(lái)運(yùn)行在變頻狀態(tài)下的水泵切換到工頻運(yùn)行，把另一臺(tái)水泵投入到變頻運(yùn)行，之后，重復(fù)上述操作。在變頻器發(fā)生故障時(shí)傳信號(hào)給可編程控制器PLC報(bào)警，切除變頻器，由PLC控制，采用手動(dòng)啟動(dòng)方式供水。為避免某一臺(tái)電機(jī)泵持續(xù)工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)系統(tǒng)還具有“倒泵功能”。另外，控制系統(tǒng)還必須對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)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(gè)工作系統(tǒng)的正常運(yùn)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(yùn)行狀況，并對(duì)系統(tǒng)故障能夠及時(shí)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(duì)每個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控指示的功能，并且當(dāng)1～4電機(jī)泵和變頻器有過(guò)載運(yùn)行情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)行聲光報(bào)警，并指示過(guò)載位置。 供水系統(tǒng)運(yùn)行指示圖 PLC及其擴(kuò)展模塊選型 PLC選型PLC是整個(gè)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(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換等。在選擇PLC時(shí)，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(kuò)展模塊的能力和編程軟件方便與否等多方面因素?？紤]到該供水廠參數(shù)較多，除了常見(jiàn)壓力反饋信號(hào)，還需要對(duì)清水池液位信號(hào)、閥門開(kāi)啟信號(hào)等進(jìn)行處理，因此設(shè)計(jì)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(jī)的啟動(dòng)停止和泵口閥門的啟閉。經(jīng)過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)上的PLC參數(shù)及性能進(jìn)行分析比較，決定選擇三菱公司推出的FX2N32MR型號(hào)的PLC。FX2N系列是FX家族中最先進(jìn)的PLC系列，且該型號(hào)PLC是由三菱公司近年來(lái)推出的高性能小型可編程控制器，具有較高的性價(jià)比，應(yīng)用廣泛。FX2N32MR型號(hào)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(diǎn)，繼電器輸出，I/O點(diǎn)數(shù)最大可擴(kuò)展到256點(diǎn)。它有內(nèi)置8k步的RAM，使用存儲(chǔ)卡盒后，最大容量可擴(kuò)到16k步，編程指令多達(dá)327條。運(yùn)算時(shí)，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(jì)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(yùn)算、平方根及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、PID運(yùn)算等更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，具有容量大、運(yùn)行速度快、指