基于變頻器的水位自動控制系統設計

高同輝， 孫慧峰， 張平澤

(1.平頂山工業職業技術學院，河南平頂山 467001;

2.常州機電職業技術學院電氣工程系，江蘇常州 213164)

0 引言

水泵是供水系統中重要的設備之一，它一般按供水系統設計時最大工況需求選擇，而用水系統實際使用中有很多時間不一定能達到用水最大量，一般用閥門調節增大系統阻力來節流，造成電機用電損失。據統計，水泵的能耗約占供水系統總能耗的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工作狀態平緩穩定，改變轉速來調節用水供應，節電率可達到20% ～60%［1］。

現場有一個高度3.5 m、蓄水容量為100 m3的蓄水池，一個進水口和一個出水口，進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。按照此要求進行工程設計。

1 水泵變頻調速節能原理

水泵是典型的變轉矩負載。變轉矩負載的特性是轉矩隨速度的上升而上升。水泵電機的軸功率P與其流量Q，揚程H之間［2］的關系如下:

當流量由Q1變化到Q2時，電機的轉速為N1、N2，Q、H、P相對于轉速的關系如下:

電機的軸功率P和轉矩T的關系為

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

圖1為水泵的揚程與流量的關系曲線，圖2為轉矩與電機速度的關系曲線。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速以上是恒功率調速，此時水泵效率很低，機械磨損大。同時根據異步電機的軸轉速公式［3］:

式中:N——電機轉速;

f——交流電源的頻率;

p——電機的極對數;

s——電機運行的轉差率。

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

2 系統結構

該水位的自動控制系統由AC電源、隔離開關、斷路器、變頻器、水泵、水位壓力傳感器、液位變送器等組成［4］。系統結構框圖見圖3。

圖3 系統結構

3 系統設備選擇

3.1 水泵的選擇

根據現場情況，由于蓄水池進水口流量約為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。因為進水流量時大時小，根據經驗，水泵的流量比進水流量提高20%為宜，也就是84 m3/h，同時現場要求水泵揚程在95 m，根據這些參數選擇了最接近實際應用參數的水泵，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能，更重要的是為了方便調節水泵電機的運行速度，使蓄水池的進水量與出水量始終保持動態平衡，從而實現蓄水池水位自動控制的目的。變頻器的選擇經驗，根據負載情況不同，變頻器的功率要比所帶電機的功率高5%～15%，本設計中變頻器比水泵功率高15%，即63.25 kW，實際應用中變頻器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

水位自動控制系統的整個閉環控制回路中，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的壓力大小不一樣，水位壓力傳感器探頭感應的壓力信號送至液位變送器，經過運算轉換成對應的4～20 mA的電流信號。然后將此電流信號送給變頻器內置PID調節模塊，與設定的水位信號進行對比，從而實時調節變頻器的輸出頻率(即改變水泵轉速)來進行水位的自動控制。根據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 系統線路原理圖

系統線路原理圖如圖4所示。

5 變頻器控制參數設置

5.1 內置PID參數計算

施耐德ATV61HD75N4變頻器內置PID控制器結構［5-6］，如圖5 所示。

圖4 系統線路原理圖

圖5 內置PID控制器結構

在變頻器的PID應用中需要設置PID內部給定信號(及要達到的目標)，在這里工程要求的水位是2.5 ±0.2 m，所以要把 2.5 m 水深轉化成變頻器可以識別的電流信號，控制執行機構(變頻器和水泵)輸出，控制對象在執行機構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內部給定的量程為0～100。

5.2 變頻器的其他參數

施耐德ATV61-55 KW變頻器的操作面板參數設定見表1。

表1 變頻器參數設置

6 結語

本設計產品采用內置PID控制的變頻器，結合液位變送器構成一個閉環系統，能夠實現蓄水池的液位自動控制，具有結構簡單、調試方便、節能等特點，應用于某工廠，2年來一直運行正常。

［1］李旭明.煤礦排水系統在線監測變頻控制系統研究［D］.河北:河北工程大學，2010.

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