变频器在恒压供水控制系统中的应用

变频器在恒压供水控制系统中的应用

1        引言变频器供应：15953103425

某厂铸造车间堆垛机铸模采用循环水进行冷却，由于管道长时间使用，严重腐蚀、破裂，造成地下管网渗漏，维修相当困难。每天渗漏冷却水85t，一年浪费约31025t。针对这种情况我们若将循环水改用变频调速恒压供水，充分利用变频器内置的各种功能，合理地设计变频调速恒压供水设备。变频恒压供水系统是采用可编程控制器、PID仪表和交流变频器而研制成的新一代产品，通过压力变送器和PLC构成闭环控制系统。按恒压、节能节水的优化运行原则，随着用水量的变化，PID仪表不断的进行压力采样，PLC进行逻辑运算自动控制机组中泵的转速和换泵，从而实现全自动恒压变频供水。

2        工作原理变频器供应：15953103425
          变频恒压供水控制系统通过检测管网压力变化,或者按设定要求随时间变化而自动调整压力给定值,通过压力变送器,将管网压力反馈给PID仪表,求出压力偏差,然后进行逻辑判断和人工神经元控制算法数字调节运算。目的是控制变频器的输出频率和输出电压,从而调节变频泵的转速,控制多台变频泵和工频泵的启停而达到恒压变频供水的目的。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可实时通知PLC进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生,泵的启停将联动其出口阀门。
          各部分功能如下：变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。安装于供水管道上的压力变送器将管网压力转换成1～5V的电信号；变频调速器用于调节水泵转速以调节流量；PLC用于逻辑切换。此外，上述系统还配备了外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。

3        设备选型变频器供应：15953103425
          变频恒压供水系统主要由变频控制柜、压力传感器、水泵等组成。变频控制柜由断路器、变频器、接触器、中间继电器、PLC等组成。
3.1 供水系统选用变频器供应：15953103425
          蓄水池容量应大于每小时*供水量;水泵扬程应大于实际供水高度;水泵流量总和应大于实际*供水量。
3.2 变频器变频器供应：15953103425
           根据工艺要求，建议配用米兰ML5000系列变频器。ML5000系列变频器是米兰科技公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多*的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性,完整的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。

            米兰变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前*的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。ML5000变频器内置PID、PFC、预磁通等八种应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间，减少出错。
3.3 可编程序控制器变频器供应：15953103425
          可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之泛组合以用于扩展；简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；方便用户和简易的无风扇设计；当控制任务增加时，可以自由扩展；大范围的集成功能使得它的功能非常强劲；多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块；当任务规模扩大，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。采用PLC控制的优点：
          （1）PLC实现系统全自动工作，各泵均为软启动开机及停机，没有电流冲击，噪音低，机械冲击磨损小，可延长设备使用寿命和提高系统工作可靠性。 
          （2）采用PLC编程，灵活性大，用指令可设定控制多台泵组。
          （3）保护功能齐全、运行安全可靠。
3.4 变频专用电机变频器供应：15953103425
          采用国产名牌产品，防护等级不低于IP44，绝缘等级为F级。

4        改造方案变频器供应：15953103425
4.1 工作性能变频器供应：15953103425
          主水管网压力传感器的压力信号4～20mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力和稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被 PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若两台泵运转仍不能达到要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。
          当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在*速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到*一台泵用变频器恒压供水。另外，控制系统设计六台泵为两组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24h轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠使用寿命。

          针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如米兰公司的ML5000、ML186系列产品，康沃公司的系列产品。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多。
4.2 改造方法变频器供应：15953103425
          系统分别采用3台热泵、3台冷泵，二用一备，采用米兰公司的ML5000带内置PID功能的变频器，可编程控制器选用西门子S7-214-1BC10-0XB0型，具体原理框图如图2所示。图2中M1～M3为电机，P1～P3为水泵，JC1～JC6为电机起、停、互相切换的交流接触器，由可编程控制器定时切换。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制变频器转速的模拟信号，不仅造成可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

          由于ML5000带内置PID功能的变频器省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。
4.3 运行方式变频器供应：15953103425
          该系统有手动和自动两种运行方式：
          （1）手动运行
          按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制热、冷泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时使用。
          （2）自动运行
          运行由变频柜与循环转换柜、水泵、压力传感装置构成的闭环自控系统，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器。合上自动开关后，首先由变频柜软启动1#水泵，变频器频率从零升到50Hz，水泵达到额定转速。此时供水压力若达不到设定的压力，系统自动将1#水泵切换到工频恒速运行，变频器再软启动2#水泵，进行调速供水，如还达不到设定压力，系统又自动将2#水泵切换到工频恒速运行，变频器又再软启动3#水泵，直到达到设定压力，变频器始终停留在某一水泵上调速运行。如运行中变频泵频率降至设定的*频率，供水水压大于设定压力，系统将自动停止*启动的水泵，如仍大于设定压力，再停第二次启动的水泵。在夜间运行时，当*一台变频泵频率降到设定的*频率，此时供水压力还大于设定的压力时，变频装置将进入休眠状态，系统自动停止水泵工作。此时由压力传感装置监视管网压力，若低于设定压力的0.05Mpa，变频装置自动唤醒，启动水泵补水。该系统就如此循环启动，调速运行、停止，不断地进行调整，达到恒压供水的目的。
4.4 系统实现的功能变频器供应：15953103425
          新型的变频调速恒压集成供水系统，只要配套恒压供水系统单元，便可直接控制多个电泵工作，不需外配价格昂贵的PID调节器、PLC控制器，功能强大且成本较低。这种专用的变频调速恒压供水控制电路，是通过设置指令代码，方便灵活地实现PLC、PID等控制系统的功能。简化了电路结构，提高了系统的可靠性，设备的成本可大幅度下降。 
          （1）运行的方式选择灵活变频器供应：15953103425
          系统可选择变频泵固定和循环两种方式。  
          （2）可选择相应的停止顺序
          在关闭电泵时，可先关闭先开启的电泵，以便使泵的使用频率相等，这种方式主要用于水泵容量相等的情况，而先关闭后开启的泵则适用于电泵容量不等的情况。 
          （3）控制方便、安全可靠变频器供应：15953103425
          系统无需改线，便可实现选择的水泵切入退出，保养检修十分方便，变频器的功能十分完善，设有电流、电压等各种保护及报警措施，一旦变频器出现故障，系统会自动切换到工频运行，避免断水，安全可靠。 
          （4）直观的人机对话变频器供应：15953103425
          系统除了面板频率设定，电位器设定，还可以直接用Mpa水压单位通过面板进行压力设定，用“Mpa”直接设定方式时，在面板上显示压力反馈值（Mpa）,而整个压力闭环控制可由系统软件（相应的功能码）来实现,且内部参数,如比例（P）积分（I）微分（D）,加减速斜率,滤波的时间常数等都可在线修改,直观方便。 
          （5）自动节能运转变频器供应：15953103425
          在系统中设置了节能运转功能,在此功能下运行时,变频器能自动搜集电机的工作点,不同的负载设置不同的V/F参数，实现自动节能运转功能，另外该系统的变频器采用无速度传感器矢量控制，具有强大的保护和通讯功能，可实现远距离集中控制。
          总之系统具有优良而完备的性能,将以前的PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制板上,通过设置指令代码便可灵活方便地实现PLC、PID等电控系统的功能,简化了电路结构,大大的提高了系统的可靠性。

5        节能效果
5.1 变频节能
          电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。采用该系统，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。当电机转速从n1变到n2时，其电机轴功率（P）的变化关系如下:P2／P1=(n2/n1)3,由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。 
5.2 动态调整节能
          迅速适应负载变动，供给*效率时的电压。变频调速器在软件上设有5000次/s的测控输出功能，始终保持电机的在高效率运行。在保证电机输出力矩的情况下，可适当降低电机的供电电压。减少电机的输出力矩，降低输入电流。 
5.3 提高功率因数节能
          采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：AC-DC-AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。 

6        经济效益分析变频器供应：15953103425
          改造前每年用电约为:(55×2+30)×24×365=1226400kW·h
          泵类变频调速节能技术可达到20%～30%，月均值在25%；电费价格为0.2977元/kW·h，则每年可节约电费：1226400×25%×0.2977=91274.82元
          投资回报期:=投资总额/每年节约金额=453200/91274.82=4.9年
          改造时投资费用为45.32万元，节电改造投资在5年内收回全部收回。该项目尽管投资后收益时间较长，但改造后不但提高了控制水平、降低工人劳动强度，而且具有很好的节能效果。

7        结束语变频器供应：15953103425
          本控制系统构成了多台泵的自动控制的*经济结构，变频器工作的上下限频率及数字PID控制的上下限控制点的设定对系统的误差范围也有不可忽视的作用。所以在诸多调速方案中变频调速节能效益*，理应为*方案。