论文部分内容阅读
【摘要】恒压供水以其环保、节能和供水质量高等优点在供水行业中越来越普及；本文主要介绍了工厂恒压供应冷却水的应用特点及具体实施措施。
【关键词】变频器 恒压供水 电机 冷却
前言
某工厂有生产、试验设备多台套在工作时要水冷却，为节省成本，采用循环供水的方法，供水泵功率的大小是根据全部设备全开时的最大用水需求而确定的，同时还留有一定的设计余量。现场用2台110KW水泵电机供水（其中1台备用）。
根据市场及生产工艺的要求，生产设备不是时时都全部启用，试验设备更是很少同时使用，再者，设计时考虑到以后会增加设备，供水能力的余量比较大。故此供水系统在大多数时间都没有达到满负荷（根据统计，80%的时间只使用60%的负荷）。在没有采取恒压供水前，供水泵不得不一直处于全速运行，多余的水通过节流阀回流到蓄水池，浪费大量的能源；对于水泵和电机来说，它们一直 是全速运行，机械磨损相对也会比较严重，出故障的机率也会有所增多；备用电机和水泵，长时间没运行，容易锈蚀，更容易出现故障。
以变频器控制的恒压供水系统的特点
由于以上原因，对冷却供水系统进行电气改良，改良后的系统，有以下特点：
变频恒压供水能维持冷却供水管网的压力恒定，无级调整压力，供水质量好。
水泵电机经变频器控制后，电机的启动是软启动，可有效地降低电动机的启动电流，（其启动电流仅为硬启动电流的50%），软启动的限流特性可有效限制浪涌电流，避免不必要的冲击力矩对设备和电机的机械冲击以及对配电网络的电流冲击，有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作。对频繁启停的电动机，可有效控制电动机的温升，延长了电动机、水泵的寿命。
变频恒压供水系统可以自动实现多泵循环运行功能，延长了电机水泵的使用寿命。也也避免了备用电机和水泵，长时间没运行而引起的锈蚀，降低了维护费用。
节能
根据P=1.732IUcosφ，当电压、电流相同，功率因数高的功率大，变频器的功率因数接近1，变频器的的应用，能提高电机功率因数，即使电机在工频下运行，用变频器也比不用变频器省电3-7%。
水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即N=Kn3 ；
式中：N：为水泵消耗功率；
n：为水泵运行时的转速；
K：为比例系数。
水泵电机设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，电机转速较低，水泵运行平均转速比工频转速低20～50%，从而大大降低能耗，节能率可达20%～60%。
节能的效果是显而易见的。
變频恒压供水系统保护功能齐全，具有欠压、过流、过载、过热、缺相、短路保护等功能，运行可靠，可实现无人值守运行，节省了人力及物力。
降低生产成本，提高经济效益
经测算，恒压供水系统节能率可达20%～60%。3～8个月所节省的电费，就可以收回系统的建设投资。系统无人值守运行，节省人力。
供水系统长期运行，经济效益相当可观。
变频器驱动的恒压供水系统的实现
变频恒压供水的基本原理:以压力传感器和变频器组成闭环系统，根据系统管网的压力来调节电机的转速，实现用水高峰时的水压恒定，和低峰时的变频的休眠功能，得到恒压供水和节能的目的。
工厂的恒压供水系统的水路由：地下水池、水泵、入水管道、水箱、冷却水管网组成；控制部分由：变频器、恒压供水控制器、压力变送器、高水位信号、低水位信号、电机温度传感器、交流接触器、继电器等等组成。
当进行生产或试验时，冷却水不可以停供，否则，会损坏设备或造成材料的损失，因此，系统设计为双备份：出水管网安装2套压力变送器，2台抽水电机，手动工频/自动变频运行切换。
恒压供水系统的示意图。
恒压供水系统的主控制电路：
两台电机为互备，可通过KM4、KM5选择使用1#泵或2#泵运行，KM4与 KM5为机械互锁的接触器，保证水泵电机的正确切换。KM1与 KM2+KM3为手动工频与自动变频运行选择，当自动变频部分出现故障或系统维保时，可切换为手动工作方式。其为机械互锁的接触器，保证选择变频运行和工频运行的正确切换。
实施方案及实施过程中的注意事项如下：
变频器的选择
由于变频器的制造技术已经非常成熟，在市场上都是大品牌的产品，质量上是有保证的，所以在选择变频器时，主要是考虑功能、价格。
恒压供水最好选择水泵、风机类专用变频器，在大陆市场上，变频器比较常见的是欧美系、日系、台系及国内品牌，欧美系价格较高、日系次之、台系及国内品牌相近，经综合考量，台系变频器的性价比较高。参考多家的选型手册，选择台达的F系列水泵、风机类专用变频器：VFD1100F43C。
恒压供水控制器
由于恒压供水系统要实现PID运算、变频泵循环工作方式及无人值守工作，市面上没有能实现全部功能的控制器，故用单片机自行开发了一套恒压供水控制器，它能实现如下功能：
恒压供水的PID运算。
主控、备用电机（水泵）定时轮换工作。
工作时间（小时）自动累计功能。
故障泵退出功能，水泵电机出现损坏时，让故障电机自动退出工作。
与变频器通讯，控制变频器的动作。
在用户不用水的情况下会自动停机
故障声光报警。
压力变送器的选择及安装
工业上使用的压力传感器一般有电流型与电压型，电流型一般输出电流信号：4～ 20mA(也有0～20mA)，电压型一般输出电压信号：0～5V。由于工业现场电磁环境复杂，干扰严重，电流信号的抗干扰能力比较强，故此选用电流型压力变送器。
1米水柱产生的压强为9.8KPa，水箱高度约21米，产生压强约206KPa，故选择量程100～300KPa的压力变送器。
压力变送器尽量安装在水流速度比较小的地方，以减少管路压力受水流速度的影响
制动电阻R的选择
变频器在制动而减速时，由于拖动系统的惯性，电动机处于发电状态，机械能快速回馈到直流母线上，变频器会因母线电压过高而危及系统安全，根据变频器的容量，可用不同功率的制动单元（制动电阻）将该回馈能量迅速消耗掉，保持直流母线电压在某一安全范围以下。
制动电阻与电机的转矩等多个参数有关，而这些参数有些是变化的，因此准确计算制动电阻比较困难，而且没有必要，通常情况是采用下列经验公式算一个近似的值。
制动电阻R≥2UD/Ie
式中，UD＝700V，Ie为变频器额定电流
VFD1100F43C变频器额定电流为210A，则制动电阻为3.3Ω，与商家沟通后，没有这种规格，最后选择制动电阻为：4Ω/21.6KW的电阻。
抗干扰措施
变频器本身是谐波干扰源，所以对输入侧（电源侧）和输出侧的设备会产生影响，在变频器内部，主回路对控制回路也会产生影响。
对控制回路采取抗干扰措施
变频器由主回路和控制回路两大部分组成，由于主回路的非线性，与主回路相比，变频器的控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受干扰，造成变频器无法工作。必须对控制回路采取抗干扰措施。
电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆槽分别敷设，避免辐射干扰
信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路及易产生电弧的断路器和接触器错开一定距离(至少20cm以上)。分离困难时，将控制电缆穿过铁管铺设。
将控制导线绞合，绞合间距越小，铺设的路线越短，抗干扰效果越好。
变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，电缆的接地在变频器侧进行，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线。这样可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。也能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。
减少变频器对其他电器设备及电网的干扰
变频器的高频化和大容量化，其内部电压．电流发生剧变，运行时产生高次谐波，不但给器件造成很大的电应力，还在装置的输入、输出引线及周围空间产生高频电磁噪声，对其他电器设备的工作造成干扰，在变频器输入侧安装LC型谐波滤波器，且屏蔽接地，可有效减少变频器对其他电器设备的干扰。
系统的散热
变频器、制动电阻、电机的发热量都较大，需要正确安装及采取必要的散热措施。
在电气控制柜顶部安装1个300mm轴流风机，变频器须垂直安装并紧固在电气柜内。其上部，下部必须留有至少 100mm 的间隙，左部，右部必须留有至少 50mm 的间隙。制动电阻须垂直安装并紧固在隔热的面板上，其上部，下部必须留有至少 100mm 的间隙，制动电阻的两侧不应妨碍冷却空气的流通。
由于水泵电动机不是变频电机，在长时间低速运行时，电机的散热风扇因转速低而散热效果差，电动机易发热，因此增加冷却风机是必要的，可为每台电机专门配备一台300mm轴流风机强制冷却水泵电机。
结束语
恒压供水系统的投入使用，提高了供水质量，满足生产工艺的要求，提高产品质量；电机实现软启动，延长了设备的使用寿命；节能效果显著，可无人值守运行，节省了人力，降低生产成本，提高经济效益。
参考文献
《MICROMASTER 430 简明调试指南》西门子（中国）有限公司技术支持部
《MICROMASTER 430通用型变频器 使用大全》西门子（中国）有限公司技术支持部 2003
韩安荣.通用变频器及其应用（第2版）机械工业出版社，2000
台达变频器使用手册
【关键词】变频器 恒压供水 电机 冷却
前言
某工厂有生产、试验设备多台套在工作时要水冷却，为节省成本，采用循环供水的方法，供水泵功率的大小是根据全部设备全开时的最大用水需求而确定的，同时还留有一定的设计余量。现场用2台110KW水泵电机供水（其中1台备用）。
根据市场及生产工艺的要求，生产设备不是时时都全部启用，试验设备更是很少同时使用，再者，设计时考虑到以后会增加设备，供水能力的余量比较大。故此供水系统在大多数时间都没有达到满负荷（根据统计，80%的时间只使用60%的负荷）。在没有采取恒压供水前，供水泵不得不一直处于全速运行，多余的水通过节流阀回流到蓄水池，浪费大量的能源；对于水泵和电机来说，它们一直 是全速运行，机械磨损相对也会比较严重，出故障的机率也会有所增多；备用电机和水泵，长时间没运行，容易锈蚀，更容易出现故障。
以变频器控制的恒压供水系统的特点
由于以上原因，对冷却供水系统进行电气改良，改良后的系统，有以下特点：
变频恒压供水能维持冷却供水管网的压力恒定，无级调整压力，供水质量好。
水泵电机经变频器控制后，电机的启动是软启动，可有效地降低电动机的启动电流，（其启动电流仅为硬启动电流的50%），软启动的限流特性可有效限制浪涌电流，避免不必要的冲击力矩对设备和电机的机械冲击以及对配电网络的电流冲击，有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作。对频繁启停的电动机，可有效控制电动机的温升，延长了电动机、水泵的寿命。
变频恒压供水系统可以自动实现多泵循环运行功能，延长了电机水泵的使用寿命。也也避免了备用电机和水泵，长时间没运行而引起的锈蚀，降低了维护费用。
节能
根据P=1.732IUcosφ，当电压、电流相同，功率因数高的功率大，变频器的功率因数接近1，变频器的的应用，能提高电机功率因数，即使电机在工频下运行，用变频器也比不用变频器省电3-7%。
水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即N=Kn3 ；
式中：N：为水泵消耗功率；
n：为水泵运行时的转速；
K：为比例系数。
水泵电机设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，电机转速较低，水泵运行平均转速比工频转速低20～50%，从而大大降低能耗，节能率可达20%～60%。
节能的效果是显而易见的。
變频恒压供水系统保护功能齐全，具有欠压、过流、过载、过热、缺相、短路保护等功能，运行可靠，可实现无人值守运行，节省了人力及物力。
降低生产成本，提高经济效益
经测算，恒压供水系统节能率可达20%～60%。3～8个月所节省的电费，就可以收回系统的建设投资。系统无人值守运行，节省人力。
供水系统长期运行，经济效益相当可观。
变频器驱动的恒压供水系统的实现
变频恒压供水的基本原理:以压力传感器和变频器组成闭环系统，根据系统管网的压力来调节电机的转速，实现用水高峰时的水压恒定，和低峰时的变频的休眠功能，得到恒压供水和节能的目的。
工厂的恒压供水系统的水路由：地下水池、水泵、入水管道、水箱、冷却水管网组成；控制部分由：变频器、恒压供水控制器、压力变送器、高水位信号、低水位信号、电机温度传感器、交流接触器、继电器等等组成。
当进行生产或试验时，冷却水不可以停供，否则，会损坏设备或造成材料的损失，因此，系统设计为双备份：出水管网安装2套压力变送器，2台抽水电机，手动工频/自动变频运行切换。
恒压供水系统的示意图。
恒压供水系统的主控制电路：
两台电机为互备，可通过KM4、KM5选择使用1#泵或2#泵运行，KM4与 KM5为机械互锁的接触器，保证水泵电机的正确切换。KM1与 KM2+KM3为手动工频与自动变频运行选择，当自动变频部分出现故障或系统维保时，可切换为手动工作方式。其为机械互锁的接触器，保证选择变频运行和工频运行的正确切换。
实施方案及实施过程中的注意事项如下：
变频器的选择
由于变频器的制造技术已经非常成熟，在市场上都是大品牌的产品，质量上是有保证的，所以在选择变频器时，主要是考虑功能、价格。
恒压供水最好选择水泵、风机类专用变频器，在大陆市场上，变频器比较常见的是欧美系、日系、台系及国内品牌，欧美系价格较高、日系次之、台系及国内品牌相近，经综合考量，台系变频器的性价比较高。参考多家的选型手册，选择台达的F系列水泵、风机类专用变频器：VFD1100F43C。
恒压供水控制器
由于恒压供水系统要实现PID运算、变频泵循环工作方式及无人值守工作，市面上没有能实现全部功能的控制器，故用单片机自行开发了一套恒压供水控制器，它能实现如下功能：
恒压供水的PID运算。
主控、备用电机（水泵）定时轮换工作。
工作时间（小时）自动累计功能。
故障泵退出功能，水泵电机出现损坏时，让故障电机自动退出工作。
与变频器通讯，控制变频器的动作。
在用户不用水的情况下会自动停机
故障声光报警。
压力变送器的选择及安装
工业上使用的压力传感器一般有电流型与电压型，电流型一般输出电流信号：4～ 20mA(也有0～20mA)，电压型一般输出电压信号：0～5V。由于工业现场电磁环境复杂，干扰严重，电流信号的抗干扰能力比较强，故此选用电流型压力变送器。
1米水柱产生的压强为9.8KPa，水箱高度约21米，产生压强约206KPa，故选择量程100～300KPa的压力变送器。
压力变送器尽量安装在水流速度比较小的地方，以减少管路压力受水流速度的影响
制动电阻R的选择
变频器在制动而减速时，由于拖动系统的惯性，电动机处于发电状态，机械能快速回馈到直流母线上，变频器会因母线电压过高而危及系统安全，根据变频器的容量，可用不同功率的制动单元（制动电阻）将该回馈能量迅速消耗掉，保持直流母线电压在某一安全范围以下。
制动电阻与电机的转矩等多个参数有关，而这些参数有些是变化的，因此准确计算制动电阻比较困难，而且没有必要，通常情况是采用下列经验公式算一个近似的值。
制动电阻R≥2UD/Ie
式中，UD＝700V，Ie为变频器额定电流
VFD1100F43C变频器额定电流为210A，则制动电阻为3.3Ω，与商家沟通后，没有这种规格，最后选择制动电阻为：4Ω/21.6KW的电阻。
抗干扰措施
变频器本身是谐波干扰源，所以对输入侧（电源侧）和输出侧的设备会产生影响，在变频器内部，主回路对控制回路也会产生影响。
对控制回路采取抗干扰措施
变频器由主回路和控制回路两大部分组成，由于主回路的非线性，与主回路相比，变频器的控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受干扰，造成变频器无法工作。必须对控制回路采取抗干扰措施。
电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆槽分别敷设，避免辐射干扰
信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路及易产生电弧的断路器和接触器错开一定距离(至少20cm以上)。分离困难时，将控制电缆穿过铁管铺设。
将控制导线绞合，绞合间距越小，铺设的路线越短，抗干扰效果越好。
变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，电缆的接地在变频器侧进行，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线。这样可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。也能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。
减少变频器对其他电器设备及电网的干扰
变频器的高频化和大容量化，其内部电压．电流发生剧变，运行时产生高次谐波，不但给器件造成很大的电应力，还在装置的输入、输出引线及周围空间产生高频电磁噪声，对其他电器设备的工作造成干扰，在变频器输入侧安装LC型谐波滤波器，且屏蔽接地，可有效减少变频器对其他电器设备的干扰。
系统的散热
变频器、制动电阻、电机的发热量都较大，需要正确安装及采取必要的散热措施。
在电气控制柜顶部安装1个300mm轴流风机，变频器须垂直安装并紧固在电气柜内。其上部，下部必须留有至少 100mm 的间隙，左部，右部必须留有至少 50mm 的间隙。制动电阻须垂直安装并紧固在隔热的面板上，其上部，下部必须留有至少 100mm 的间隙，制动电阻的两侧不应妨碍冷却空气的流通。
由于水泵电动机不是变频电机，在长时间低速运行时，电机的散热风扇因转速低而散热效果差，电动机易发热，因此增加冷却风机是必要的，可为每台电机专门配备一台300mm轴流风机强制冷却水泵电机。
结束语
恒压供水系统的投入使用，提高了供水质量，满足生产工艺的要求，提高产品质量；电机实现软启动，延长了设备的使用寿命；节能效果显著，可无人值守运行，节省了人力，降低生产成本，提高经济效益。
参考文献
《MICROMASTER 430 简明调试指南》西门子（中国）有限公司技术支持部
《MICROMASTER 430通用型变频器 使用大全》西门子（中国）有限公司技术支持部 2003
韩安荣.通用变频器及其应用（第2版）机械工业出版社，2000
台达变频器使用手册