西門子變頻器在恒壓供水系統中的應用

王廣智

（撫順礦業集團有限責任公司望花琥珀工貿分公司，遼寧 撫順 113000）

引言

當前階段，紙張是人們生產生活中必不可少的工具，在加快信息交流、提升人們生活質量方面起到了很大的作用[1]。隨著社會的不斷發展，人們對紙張的質量要求越來越高，這對造紙行業提出了相對更高的要求[2]。造紙過程中會涉及很多環節，且絕大部分環節都會使用大量的水[3]。在我國這樣水資源比較匱乏的國家，如何在保證紙張生產質量的前提下，盡可能降低水的使用量，是所有造紙工廠面臨的問題[4-5]。隨著造紙領域技術水平的不斷提升，設計出了恒壓供水系統，該系統的應用不但可以降低水的使用量，同時還能夠顯著提升紙張的生產質量[6]。其中變頻器是恒壓供水系統中最關鍵的部件之一。

1 恒壓供水系統整體方案概述

1.1 系統的整體方案

如圖1所示為基于西門子變頻器的恒壓供水系統結構框圖。從圖中可以看出，造紙車間會設置水塔用于存儲自來水，隨著造紙車間用水量的不斷增加，水塔中自來水的水位會隨之不斷降低。通常水位越低則整個供水管網中的水壓會隨之降低。利用液位計和液位變送器可以對水塔中自來水的水位情況進行實時檢測，并將檢測結果輸送到控制器中。另外，在水泵機組出口部位還設置了壓力傳感器，基于該壓力傳感器及壓力變送器可以對水泵機組出口部位的水壓進行實時檢測，檢測結果同樣直接傳輸至控制器中。控制器對管網中的水壓情況和水塔中自來水的水位情況進行綜合分析，根據壓力和水位實際情況下達控制指令對變頻器進行控制，使其輸出對應的電源頻率，控制電機的啟動數量及電機的實際轉速，已達到控制供水系統水壓的目的。

圖1 基于西門子變頻器的恒壓供水系統工作流程框圖

1.2 系統工作原理

圖2所示為基于西門子變頻器的恒壓供水系統工作原理圖，水位和水壓監測信號輸入到控制器中，控制器和PC機之間通過PROFIBUS-DP通訊總線及通訊模塊等實現數據信息之間的交互，對監測信號進行分析與處理。控制器根據分析計算結果下達變頻器的輸出電源頻率大小以及電動閥門的開度值大小。變頻器根據指令可以對水泵切換電路進行控制，決定水泵的啟動數量，同時還可以對啟動水泵的電源頻率進行控制，通過這種方式確保水壓恒定。另外，控制器和PC機之間通過數據交換，可以將水位和水壓監測結果、電泵的運行數量及其供電電源頻率等關鍵工藝參數在PC機顯示器中進行實時顯示。

圖2 基于西門子變頻器的恒壓供水系統工作原理圖

恒壓供水系統在啟動時，首先只啟動其中1臺水泵，通過變頻器將該水泵的功率調至最大值。如果仍然無法滿足造紙生產實際需要，則通過控制系統下達指令啟動另外一臺水泵，直至供水系統中的水壓達到要求為止。相反的，如果需要降低供水系統中的水壓時，可以將其中一臺水泵的頻率降低為最低值，直至將其關停為止。

1.3 變頻器的調速原理

造紙行業的供水系統中，主要通過異步電動機提供動力，電機的輸出轉速與供水系統的供水壓力之間存在緊密聯系。通過控制電機的輸出轉速就可以對供水系統中的供水壓力進行有效控制。對于異步電動機而言，其運轉時的速度可以通過下式進行計算：n=（（60f1）/p）（1-s）。式中，s表示轉差率，正常情況下不會變化很大；p表示電機的繞組極數，為定值；f1表示電機電源的頻率。如圖3所示為電機供電電源頻率與其輸出轉速之間的關系曲線。基于異步電動機的工作原理可以看出，只要能夠改變電機電源的頻率大小，就能對電機的輸出轉速進行有效控制，進而對水壓進行控制。變頻器的作用就是改變電源的頻率大小，通過在電機前端設置變頻器就可以改變電機電源的頻率。如果變頻器的性能較好，輸出的電源頻率范圍較寬廣，則可以實現異步電動機輸出轉速較大范圍的調整。

圖3 電機供電電源頻率與其輸出轉速之間的關系曲線圖

2 西門子變頻器的選型與設計

在對變頻器市場進行充分調研分析，并結合所設計的恒壓供水系統實際情況的基礎上，最終選用的是西門子公司研制生產的S120型變頻器，如圖4所示為西門子G120型變頻器的基本結構圖。從圖中可以看出，變頻器本身需要通過DC 24V電源進行供電，可以對頻率為50Hz三相380～480 V的交流進線電源進行轉換，得到理想的電源頻率，對電機進行供電。變頻柜中設置有很多模塊，比如逆變模塊、整流模塊等，這些模塊都可以基于DRIVE-CLiQ連接方式與PC工具進行數據信息的交換，以便PC工具對變頻器進行控制。西門子S120型變頻器是最新研制的專門針對電機進行轉速控制的變頻器，可以同時實現多種控制模式，如伺服控制、V/F控制、矢量控制。變頻器在工作時通過調節相關的參數即可實現控制模式之間的相互轉換。另外，此型號變頻器還專門配置了對應的軟件，軟件界面簡潔，操作簡單，方便工作人員對其進行控制與操作。

3 西門子變頻器在恒壓供水系統中的應用效果

將上述基于西門子變頻器的恒壓供水系統應用到造紙工廠中，取得了很好的應用效果，以下進行簡要分析。

圖4 西門子S120型變頻器的基本結構圖

3.1 改善勞動強度方面

造紙車間如果沒有使用基于西門子變頻器的恒壓供水系統，就需要安排專人對供水系統的水壓進行人工調整，要求相關人員必須具備扎實的實踐經驗和技術水平。如果供水壓力太低則達不到造紙生產的相關要求；相反的，如果供水壓力過高，不僅會造成水資源的浪費，還會對供水管道及相關元件造成沖擊，也會影響生產質量。使用恒壓供水系統后，供水壓力可以實現全自動控制，無需人為干預，只需安排人員注意觀察即可。不僅保證了供水壓力的恒定，為提升生產質量奠定了堅實的基礎，也顯著降低了人工的勞動強度，改善了車間的工作環境。

3.2 節省能耗方面

未使用恒壓供水系統前，水泵啟動時電機的最大電流值可以達到500 A左右。如此高的電流會對電機等造成很大的沖擊，影響運行時的穩定性及其使用壽命。正常運行時電機的平均電能消耗為150 kVA。使用基于西門子變頻器的恒壓供水系統后，電機啟動時的電流值控制在了100 A左右。顯著降低了電流對設備造成的不良沖擊，能顯著提升電機的使用壽命。另外，正常工作時的平均電能消耗降低到了120 kVA左右。通過對比可以發現，西門子變頻器在恒壓供水系統中的實踐應用能夠節省電能消耗20%左右，可以為造紙車間創造良好的經濟效益。

3.3 優化管網運行環境方面

沒有使用西門子變頻器時，供水系統啟動時間只有0.3 s左右。在這么短的時間內，水流速度從零增加到正常工作速度，要求具備很大的加速度，這么大的加速度必然會對供水管網造成很嚴重的破壞，此現象稱之為“水錘效應”。西門子變頻器在恒壓供水系統中的應用，可以直接在控制系統中輸入設備的啟動時間。通過這種方式能夠降低“水錘效應”，進而優化管網的運行環境，提升管網運行穩定性及其壽命，能夠顯著降低造紙車間對供水系統的維護保養成本。

4 結論

1）在造紙車間供水系統中使用西門子變頻器，可以對供水機組中水泵的啟動數量及水泵的供電電源頻率進行有效控制，最終實現水壓恒定控制的目的；

2）供水系統中選用的是西門子S120型變頻器，該變頻器具備優異的性能，完全能夠勝任實際工作需要；

3）西門子變頻器在造紙車間恒壓供水系統中的實踐應用，取得了很好的效果，顯著降低了車間工人的勞動強度、整個供水管網的損耗、供水系統的電能消耗，為造紙車間創造了良好的經濟效益和社會效益。