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

【摘 要】针对传统人工控制水泵自动化水平低、电能浪费严重的问题,设计出一种采用变频器和水位压力传感器相结合,利用变频器内置PID功能,控制水泵流量从而实现蓄水池水位的自动控制.设计给出了设备选型、线路原理图、变频器内置PID参数计算和相关参数设置.该设计通过工程实践,有效实现了水位的自动控制并节电约40％.%Aiming at the problem of low level of automation, severe energy waste in traditional manual pump control mode, a device combining inverter and the water level pressure sensor was designed, controls the pump flow rate thus realized water level automatic control of the reservoir by using inverter's built-in PID function. Equipment selection and circuit diagram, calculation of inverter's built-in PID parameters and parameter settings were showed. By means of engineering practice, the design effectively realized the automatic control of water level and save energy about 4096 .

【期刊名称】《电机与控制应用》 【年(卷),期】2012(039)009 【总页数】4页(P56-59)

【关键词】变频器;水位压力传感器;自动控制 【作 者】高同辉;孙慧峰;张平泽

【作者单位】平项山工业职业技术学院,河南平顶山467001;平项山工业职业技术学院,河南平顶山467001;常州机电职业技术学院电气工程系,江苏常州213164 【正文语种】中 文 【中图分类】TM921.51 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。

设X为所需的水位实际值，Y是实际水位对应的变频器的PID设定值，N为液位变送器的量程，M为内部PID的量程，已知:X=2.5 m，N=5，M=100，则 Y 值为

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 变频器参数设置备注设置变频器所带设备(电机)的额定频率 50 Hz 电机参数设置设置变频器所带设备(电机)的额定电压 380 V 电机参数设置设置变频器所带设备(电机)的额定电流 110 A 电机参数设置设置变频器所带设备(电机)的额定功率 55 kW 电机参数设置设置变频器所带设备(电机)的额定转速 2 900 r/min 电机参数设置设置变频器最大输出频率 50 Hz 变频器应用参数设置设置变频器最小输出频率 0 Hz 变频器应用参数设置设置变频器加速时间 5 s 变频器应用参数设置设置变频器减速时间 5 s 变频器应用参数设置设定命令通道:端子控制 变频器命令通道参数设置起动控制方式:选择二线制方式 变频器命令通道参数设置AI2类型设置:选择电流输入模式 输入/输出设置AI2的最小值 4 mA 输入/输出设置AI2的最大值 20 mA 输入/输出设置AI2的取值范围:单向输入(0～100%) 输入/

输出设置PID的反馈分配:选择AI2通道 PID调节器设置PID反馈最小值 0 PID调节器设置PID反馈最大值 100 PID调节器设置PID给定最小值 0 PID调节器设置PID给定最大值 100 PID调节器设置内部PID给定分配 YES PID调节器设置内部PID给定值:即算出的Y值 50 PID调节器设置变频器功能参数 设置值 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。 【参考文献】

【相关文献】

［1］李旭明.煤矿排水系统在线监测变频控制系统研究［D］.河北:河北工程大学，2010. ［2］王明军.利用变频器PID功能实现泵站液位控制［J］.电气时代，2011(6):50-51. ［3］王廷才.变频器原理及应用［M］.2版.北京:机械工业出版社，2011.

［4］李洁，陈宇.基于单变频器变频调速恒压供水系统［J］.化工自动化及仪表，2011(6):726-728.

［5］丁芳，李艳芳，费玉龙.智能PID算法在液位控制系统中的应用［J］.控制系统，2006(6):103-105.

［6］付岚.基于变频器PID功能的恒压供水系统应用［J］.新乡学院学报(自然科学版)，2010(5):66-67.