基于变频器的水位自动控制系统设计

高同辉， 孙慧峰， 张平泽

(1.平顶山工业职业技术学院，河南平顶山 467001;

2.常州机电职业技术学院电气工程系，江苏常州 213164)

0 引言

水泵是供水系统中重要的设备之一，它一般按供水系统设计时最大工况需求选择，而用水系统实际使用中有很多时间不一定能达到用水最大量，一般用阀门调节增大系统阻力来节流，造成电机用电损失。据统计，水泵的能耗约占供水系统总能耗的90%。在实际运行中，水泵的效率大多不足60%，存在较大的资源浪费，而采用变频器可使系统工作状态平缓稳定，改变转速来调节用水供应，节电率可达到20% ～60%［1］。

现场有一个高度3.5 m、蓄水容量为100 m3的蓄水池，一个进水口和一个出水口，进水口不停的向蓄水池中注水，水量时大时小，流量约70 m3/h，要求在出水口装一个水泵排水，要求水泵扬程为95 m，通过水泵向他处泵水，让蓄水池水位自动控制在2.5±0.2 m的范围。按照此要求进行工程设计。

1 水泵变频调速节能原理

水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。水泵电机的轴功率P与其流量Q，扬程H之间［2］的关系如下:

当流量由Q1变化到Q2时，电机的转速为N1、N2，Q、H、P相对于转速的关系如下:

电机的轴功率P和转矩T的关系为

由式(1)和式(2)可看出，水泵电机的轴功率与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。

图1为水泵的扬程与流量的关系曲线，图2为转矩与电机速度的关系曲线。从图2可看出，在低速时，功率会有很大的下降。由于水泵运行于额定转速以上是恒功率调速，此时水泵效率很低，机械磨损大。同时根据异步电机的轴转速公式［3］:

式中:N——电机转速;

f——交流电源的频率;

p——电机的极对数;

s——电机运行的转差率。

由此可知，通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大、效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率，来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10% ～100%)、精度高和节电效果明显等性能。

2 系统结构

该水位的自动控制系统由AC电源、隔离开关、断路器、变频器、水泵、水位压力传感器、液位变送器等组成［4］。系统结构框图见图3。

图3 系统结构

3 系统设备选择

3.1 水泵的选择

根据现场情况，由于蓄水池进水口流量约为70 m3/h，并要求保持一个恒水位，水泵的排水流量一定不能小于70 m3/h，否则蓄水池肯定在某一时刻要向外溢水，因此所选的水泵流量要大于70 m3/h。因为进水流量时大时小，根据经验，水泵的流量比进水流量提高20%为宜，也就是84 m3/h，同时现场要求水泵扬程在95 m，根据这些参数选择了最接近实际应用参数的水泵，型号为IS100-65-315B，此水泵流量为90 m3/h，扬程为103 m，功率为55 kW。

3.2 变频器的选择

使用变频器不但是为了节能，更重要的是为了方便调节水泵电机的运行速度，使蓄水池的进水量与出水量始终保持动态平衡，从而实现蓄水池水位自动控制的目的。变频器的选择经验，根据负载情况不同，变频器的功率要比所带电机的功率高5%～15%，本设计中变频器比水泵功率高15%，即63.25 kW，实际应用中变频器75 kW的级别与计算值比较接近，故选择380 V/75 kW内置PID控制的变频器，型号为施耐德ATV61HD75N4。

3.3 水位压力传感器与液位变送器的选择

水位自动控制系统的整个闭环控制回路中，水位压力传感器对水位信息采样，将其探头置于被测蓄水池中，由于不同的水位深度所呈现的压力大小不一样，水位压力传感器探头感应的压力信号送至液位变送器，经过运算转换成对应的4～20 mA的电流信号。然后将此电流信号送给变频器内置PID调节模块，与设定的水位信号进行对比，从而实时调节变频器的输出频率(即改变水泵转速)来进行水位的自动控制。根据工程要求选择水位量程0～5 m，输出量程4～20 mA的GB-2100 N型投入式液位变送器。

4 系统线路原理图

系统线路原理图如图4所示。

5 变频器控制参数设置

5.1 内置PID参数计算

施耐德ATV61HD75N4变频器内置PID控制器结构［5-6］，如图5 所示。

图4 系统线路原理图

图5 内置PID控制器结构

在变频器的PID应用中需要设置PID内部给定信号(及要达到的目标)，在这里工程要求的水位是2.5 ±0.2 m，所以要把 2.5 m 水深转化成变频器可以识别的电流信号，控制执行机构(变频器和水泵)输出，控制对象在执行机构的控制下输出实际液位。因为所选液位变送器的水位量程是0～5 m，PID内部给定的量程为0～100。

5.2 变频器的其他参数

施耐德ATV61-55 KW变频器的操作面板参数设定见表1。

表1 变频器参数设置

6 结语

本设计产品采用内置PID控制的变频器，结合液位变送器构成一个闭环系统，能够实现蓄水池的液位自动控制，具有结构简单、调试方便、节能等特点，应用于某工厂，2年来一直运行正常。

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