基于變頻器的水位自動控制系統(tǒng)設(shè)計

高同輝， 孫慧峰， 張平澤

(1.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南平頂山 467001;

2.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，江蘇常州 213164)

0 引言

水泵是供水系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，它一般按供水系統(tǒng)設(shè)計時最大工況需求選擇，而用水系統(tǒng)實際使用中有很多時間不一定能達(dá)到用水最大量，一般用閥門調(diào)節(jié)增大系統(tǒng)阻力來節(jié)流，造成電機(jī)用電損失。據(jù)統(tǒng)計，水泵的能耗約占供水系統(tǒng)總能耗的90%。在實際運行中，水泵的效率大多不足60%，存在較大的資源浪費，而采用變頻器可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)用水供應(yīng)，節(jié)電率可達(dá)到20% ～60%［1］。

現(xiàn)場有一個高度3.5 m、蓄水容量為100 m3的蓄水池，一個進(jìn)水口和一個出水口，進(jìn)水口不停的向蓄水池中注水，水量時大時小，流量約70 m3/h，要求在出水口裝一個水泵排水，要求水泵揚程為95 m，通過水泵向他處泵水，讓蓄水池水位自動控制在2.5±0.2 m的范圍。按照此要求進(jìn)行工程設(shè)計。

1 水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理

水泵是典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載。變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性是轉(zhuǎn)矩隨速度的上升而上升。水泵電機(jī)的軸功率P與其流量Q，揚程H之間［2］的關(guān)系如下:

當(dāng)流量由Q1變化到Q2時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為N1、N2，Q、H、P相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:

電機(jī)的軸功率P和轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系為

由式(1)和式(2)可看出，水泵電機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的2次方成正比。

圖1為水泵的揚程與流量的關(guān)系曲線，圖2為轉(zhuǎn)矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲線。從圖2可看出，在低速時，功率會有很大的下降。由于水泵運行于額定轉(zhuǎn)速以上是恒功率調(diào)速，此時水泵效率很低，機(jī)械磨損大。同時根據(jù)異步電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速公式［3］:

式中:N——電機(jī)轉(zhuǎn)速;

f——交流電源的頻率;

p——電機(jī)的極對數(shù);

s——電機(jī)運行的轉(zhuǎn)差率。

由此可知，通過改變極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率的方法實現(xiàn)對異步電機(jī)的調(diào)速。前兩種方法轉(zhuǎn)差損耗大、效率低，對電機(jī)特性都有一定的局限性。變頻調(diào)速是通過改變定子電源頻率，來改變同步頻率實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。在調(diào)速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬(10% ～100%)、精度高和節(jié)電效果明顯等性能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該水位的自動控制系統(tǒng)由AC電源、隔離開關(guān)、斷路器、變頻器、水泵、水位壓力傳感器、液位變送器等組成［4］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)備選擇

3.1 水泵的選擇

根據(jù)現(xiàn)場情況，由于蓄水池進(jìn)水口流量約為70 m3/h，并要求保持一個恒水位，水泵的排水流量一定不能小于70 m3/h，否則蓄水池肯定在某一時刻要向外溢水，因此所選的水泵流量要大于70 m3/h。因為進(jìn)水流量時大時小，根據(jù)經(jīng)驗，水泵的流量比進(jìn)水流量提高20%為宜，也就是84 m3/h，同時現(xiàn)場要求水泵揚程在95 m，根據(jù)這些參數(shù)選擇了最接近實際應(yīng)用參數(shù)的水泵，型號為IS100-65-315B，此水泵流量為90 m3/h，揚程為103 m，功率為55 kW。

3.2 變頻器的選擇

使用變頻器不但是為了節(jié)能，更重要的是為了方便調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運行速度，使蓄水池的進(jìn)水量與出水量始終保持動態(tài)平衡，從而實現(xiàn)蓄水池水位自動控制的目的。變頻器的選擇經(jīng)驗，根據(jù)負(fù)載情況不同，變頻器的功率要比所帶電機(jī)的功率高5%～15%，本設(shè)計中變頻器比水泵功率高15%，即63.25 kW，實際應(yīng)用中變頻器75 kW的級別與計算值比較接近，故選擇380 V/75 kW內(nèi)置PID控制的變頻器，型號為施耐德ATV61HD75N4。

3.3 水位壓力傳感器與液位變送器的選擇

水位自動控制系統(tǒng)的整個閉環(huán)控制回路中，水位壓力傳感器對水位信息采樣，將其探頭置于被測蓄水池中，由于不同的水位深度所呈現(xiàn)的壓力大小不一樣，水位壓力傳感器探頭感應(yīng)的壓力信號送至液位變送器，經(jīng)過運算轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的4～20 mA的電流信號。然后將此電流信號送給變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)模塊，與設(shè)定的水位信號進(jìn)行對比，從而實時調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率(即改變水泵轉(zhuǎn)速)來進(jìn)行水位的自動控制。根據(jù)工程要求選擇水位量程0～5 m，輸出量程4～20 mA的GB-2100 N型投入式液位變送器。

4 系統(tǒng)線路原理圖

系統(tǒng)線路原理圖如圖4所示。

5 變頻器控制參數(shù)設(shè)置

5.1 內(nèi)置PID參數(shù)計算

施耐德ATV61HD75N4變頻器內(nèi)置PID控制器結(jié)構(gòu)［5-6］，如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)線路原理圖

圖5 內(nèi)置PID控制器結(jié)構(gòu)

在變頻器的PID應(yīng)用中需要設(shè)置PID內(nèi)部給定信號(及要達(dá)到的目標(biāo))，在這里工程要求的水位是2.5 ±0.2 m，所以要把 2.5 m 水深轉(zhuǎn)化成變頻器可以識別的電流信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(變頻器和水泵)輸出，控制對象在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制下輸出實際液位。因為所選液位變送器的水位量程是0～5 m，PID內(nèi)部給定的量程為0～100。

5.2 變頻器的其他參數(shù)

施耐德ATV61-55 KW變頻器的操作面板參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

6 結(jié)語

本設(shè)計產(chǎn)品采用內(nèi)置PID控制的變頻器，結(jié)合液位變送器構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)蓄水池的液位自動控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、節(jié)能等特點，應(yīng)用于某工廠，2年來一直運行正常。

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