1  引言

    杭州市新德勝泵站變頻工程是杭州自來(lái)水總公司為滿(mǎn)足九堡、下沙地區(qū)日益增長(zhǎng)的供水需求，在保留原有機(jī)泵設(shè)備的基礎(chǔ)上新增的一套變頻調(diào)速系統(tǒng)。針對(duì)該項(xiàng)目，主要采用了如下產(chǎn)品:西門(mén)子SINAMICS G150變頻器，西門(mén)子變頻電機(jī)，工控機(jī)、西門(mén)子S7-300系列PLC等組成的監(jiān)控系統(tǒng)。
本項(xiàng)目變頻控制系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的，具有數(shù)字矢量控制功能的SIEMENS G150系列產(chǎn)品，基于制水行業(yè)電網(wǎng)容量不大的特點(diǎn)，為保證變頻調(diào)速裝置不干擾其它系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行及諧波含量滿(mǎn)足GB/T14549/93及IEEE519/1992標(biāo)準(zhǔn)，故采用六脈沖整流變頻器。
該變頻控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能:
(1) 無(wú)級(jí)調(diào)速功能:能完全實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)、運(yùn)行、調(diào)峰等狀態(tài)的壓力，流量等參數(shù)的精確控制。調(diào)節(jié)過(guò)程中節(jié)流閥全開(kāi)，無(wú)節(jié)流損失;
(2) 轉(zhuǎn)速限制功能:可以通過(guò)系統(tǒng)邏輯設(shè)定電動(dòng)機(jī)的最高、最低轉(zhuǎn)速，保證控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速設(shè)定回路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)也不會(huì)停機(jī)或超過(guò)額定轉(zhuǎn)速;
(3) 軟啟動(dòng)功能:采用本裝置能保證異步電機(jī)所帶水泵平穩(wěn)軟啟動(dòng)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、可避免起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊，從而減輕對(duì)供電系統(tǒng)的影響，并可節(jié)省對(duì)電動(dòng)機(jī)和高壓開(kāi)關(guān)的維修費(fèi)用，提高電動(dòng)機(jī)和高壓開(kāi)關(guān)的使用壽命;
(4) 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行:本裝置特別適用于變負(fù)荷或非滿(mǎn)負(fù)荷工作狀態(tài)的電機(jī)，使電機(jī)的每個(gè)工作點(diǎn)的功耗完全對(duì)應(yīng)于負(fù)荷的變化，節(jié)省了由于使用節(jié)流裝置調(diào)節(jié)流量或流量造成的能源浪費(fèi)，既解決了適應(yīng)變負(fù)荷的工況，又降低了電機(jī)的輸入功率?？蓽p少有功和無(wú)功損耗，節(jié)約電能，節(jié)電效果顯著;
(5) 全自動(dòng)運(yùn)行:基于高速度微處理器控制的診斷、監(jiān)視與保護(hù)系統(tǒng)，可以在線監(jiān)視變頻器各功能點(diǎn)及元件狀態(tài)，分析事故狀態(tài)原因，診斷故障部位并形成切除拖動(dòng)裝置信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)程序，正常與事故切除，換接到電網(wǎng)自動(dòng)啟動(dòng)與制動(dòng)，具有過(guò)流、過(guò)壓、輸出短路、接地等故障保護(hù)。

2  變頻器技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)原理圖如圖1所示

圖1   變頻調(diào)速主電路原理單線圖

2.2 變頻器技術(shù)總則
(1) 能在環(huán)境溫度0~40℃，相對(duì)濕度5%~95%環(huán)境中連續(xù)正常運(yùn)行;
(2) 變頻器系統(tǒng)具有閉環(huán)運(yùn)行和開(kāi)環(huán)運(yùn)行、就地與遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換功能;
(3) 變頻器輸出額定電壓為690V，變頻器電壓及電流輸出波形適合電機(jī)要求并滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)定;
(4) 變頻器操作為英文顯示,  顯示屏能英文反映一般故障，并能反映電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速等一些實(shí)際數(shù)據(jù);
(5) 通訊方式:變頻器帶有PROFIBUS接口，帶輸入輸出I/O接口，具有輸出頻率及變頻器的狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)能接收4~20mA信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
2.3 G150變頻器技術(shù)特點(diǎn)
SINAMICS G150可根據(jù)實(shí)際要求，提供量身訂制的低成本驅(qū)動(dòng)解決方案。
另外，還考慮到以下因素，從項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)階段到運(yùn)行階段，以保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)便操作:
(1) 結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計(jì)，極易維護(hù)，適用于平方轉(zhuǎn)矩特性(M∝n2)負(fù)載變速驅(qū)動(dòng)，例如水泵、風(fēng)機(jī)和渦輪壓縮機(jī);
(2) 既不需要速度實(shí)際值編碼器，也不需要具有高性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速閉環(huán)控制;
(3) 無(wú)故障設(shè)計(jì)，易于接線，裝配簡(jiǎn)單;
(4) 調(diào)試快速，菜單提示，無(wú)需復(fù)雜參數(shù)化;
(5) 舒適型圖形化操作面板，操作簡(jiǎn)便，一目了然，測(cè)量值的純文本或準(zhǔn)模擬條形圖顯示，以及帶有時(shí)間標(biāo)志的報(bào)文;
(6) 可通過(guò)PROFIBUS總線連接;
(7) 根據(jù)所選選件, 變頻調(diào)速柜有兩種型號(hào)供選擇:
A型:根據(jù)需要，可安裝所有可用電源連接組件，例如主控制開(kāi)關(guān)、斷路器、主接觸器、線路熔斷器、無(wú)線電抗干擾濾波器或電機(jī)部件以及其它監(jiān)控設(shè)備。
C型:這是一種專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的空間優(yōu)化型號(hào)，無(wú)輸入側(cè)部件。其優(yōu)點(diǎn)是分布式設(shè)計(jì)，鄰近電機(jī)安裝，摒棄了較長(zhǎng)的電機(jī)電纜(以及附加輸出濾波器)。

3  系統(tǒng)方案說(shuō)明

新德勝泵站變頻改造項(xiàng)目,采用工控機(jī)作為上位機(jī),通過(guò)開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP與變頻器進(jìn)行通訊,按過(guò)程控制要求控制傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂茢?shù)據(jù)和設(shè)定值周期性傳送到傳動(dòng)系統(tǒng)上,然后將狀態(tài)信息和實(shí)際值回傳給工控機(jī)。在工控機(jī)配置的17"液晶彩顯屏等,可通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)直接進(jìn)行工作狀態(tài)的修改和工作狀況的監(jiān)控。系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

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圖2   系統(tǒng)控制圖

本控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1) 上位機(jī)可對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行全部的遠(yuǎn)程控制;
(2) 上位機(jī)可完成更改壓力設(shè)定值,手動(dòng)/自動(dòng)的切換,調(diào)整頻率值;
(3) 在上位機(jī)上可顯示管網(wǎng)壓力值,電機(jī)運(yùn)行的電壓、電流、功率、頻率、電機(jī)溫度、變頻器溫度等重要參數(shù);
(4) 具有報(bào)警功能及顯示故障信息,并有歷史記錄功能;
(5) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)出水閥門(mén)的遠(yuǎn)程控制,做到開(kāi)停泵一步化操作;
(6) 可以顯示管網(wǎng)的壓力、電機(jī)頻率、電機(jī)功率、電壓、電流等重要運(yùn)行參數(shù)的歷史曲線;
(7) 本控制系統(tǒng)還可通過(guò)PROFIBUS-DP總線與其他系統(tǒng)建立通訊聯(lián)系，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4  新德勝泵站變頻工程所用產(chǎn)品說(shuō)明

G150變頻器型號(hào):
6SL3710-1GH33-3AA0-Z   Z=L13+L26+L86+M21
選件:進(jìn)線主接觸器L13
選件:進(jìn)線主開(kāi)關(guān)及快熔保險(xiǎn)L26
選件:Pt100傳感器接口L86
電機(jī)型號(hào): 1LA8353-4PM80-Z, Z=A72+A61 
功率P 340kW
電壓U 690V
頻率f 50Hz
轉(zhuǎn)速n 1488r/min
額定轉(zhuǎn)矩M 2182Nm
額定電流I 340A
P/PN  5/4 4/4 3/4 2/4 
效率η 95.3 96.0 96.0 95.9 %
功率因數(shù) 0.88 0.87 0.85 0.79 
IA/IN堵轉(zhuǎn)電流 7.0
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩MA/MN 1.9
最大轉(zhuǎn)矩MK/MN 2.6
防護(hù)等級(jí) IP 55
安裝方式 IM B 3
冷卻方式 IC 411
海拔噪音       1000m 75dB
絕緣等級(jí) F/F
軸承 Rolling-contact滾動(dòng)軸承
軸承型號(hào) 6220 C3/6220 C3
轉(zhuǎn)向 Both directions of rotation雙向
重量 1900kg

5  結(jié)束語(yǔ)

杭州市自來(lái)水總公司根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)以及水務(wù)行業(yè)對(duì)傳動(dòng)裝置的要求，同時(shí)結(jié)合對(duì)現(xiàn)有各知名品牌的考察論證，最終選用西門(mén)子公司最先進(jìn)的SINAMICS傳動(dòng)產(chǎn)品家族的先鋒產(chǎn)品—G150變頻器。