一、概述

　　本方案根据恒压供水系统的特点，结合VaconNX系列变频器的特点和功能，为客户设计推出的变频恒压供水系统。可达到如下设计目标：

　　l恒压供水、高效节能

　　l根据供水管网中压力的变化，Vacon变频器自动调节水泵运行的转速和台数

　　l内置PID调节器、控制过程平滑易调节

　　l系统运行更加可靠、结构更加紧凑

　　l变频泵/工频泵定时自动切换（平均每台电机和水泵的损耗）

　　l变频器发生故障的情况下，系统可手动切换到工频方式下运行

　　l控制系统为模块化设计，最大可控制的水泵为5台水泵机组；

　　二、Vacon简介

　　1.公司介绍

　　芬兰瓦萨控制系统有限公司（VaconPlc），位于芬兰工业城市――瓦萨，是世界著名的交流传动专家。其前身是瑞典一家著名的变频器生产厂，于1967年开发出第一台变频器，是变频器的鼻祖。

　　VaconPlc是100％专注于研发、生产和销售Vacon品牌变频器的集团公司。1993年起，VaconPlc就迅速地成为为所有的工业部门和公众场合应用，提供优质的和可靠的变频器产品而著称的供应商。

　　作为世界著名的、增长最快的变频器专业供应商，VaconPlc拥有一批专业的、忠于客户和具有创新精神的员工，具有长期的现场经验和渊博的各种应用和服务专业知识。这就是我们能提供牢固可靠的交流传动产品以满足客户的各种需要的制胜原因。

　　VaconPlc为客户提供从0.25kW至3MW的交流传动产品，拥有全球的销售、支持和服务网络。Vacon变频器能充分改善您的工艺流程或生产的质量和效率。在很多情况下，甚至能替代复杂的控制系统。

　　2.VACONNX系列产品介绍

　　2000年起，Vacon自豪地推出建立在硬件和软件模块上的新一代NX的变频器（产品功率范围：0.25～3000kW,电压等级：208～690V）。功率单元利用了最先进的半导体技术和高度模块化的结构，这种模块化结构将柔性地满足用户的需要。

　　模块化和鲁棒性的设计，结合功能强大的并可支持IEC61131-3标准的设计软件，使VaconNX甚至在要求最多的应用中成为一种理想的解决方案。宽电压范围、高过载能力，以及用户友好的字符面板使变频器的正确选择变得更加容易。加之，宽广的温度范围、高可靠性和多语言的控制面板使VaconNX成为新世纪的变频器。

　　a)VACONNX系列变频器特点

　　l全系列内置交流电抗器；

　　l鲁棒性的结构设计，质量可靠、性能稳定、结构紧凑；

　　l工作环境：-10－+50摄氏度；

　　l开关频率：1－16kHz；

　　l150%过载电流1min/10minforICT；

　　l200%起动转矩；

　　l250%启动电流2sec/20secforICT；

　　l具有CE、UL、C-UL(CSA)、GOSTR等认证，并符合ISO9001质量认证；

　　l完备的保护功能：过流、短路、过压/欠压、接地保护、失速保护、过载/欠载、热保护、变频器/电机相监测（输入/输出）等；

　　l精确的电机控制，支持简单的频率控制、无传感器矢量控制和带传感器矢量控制；

　　l先进的应用宏，NC1131编程软件为客户量身订制应用宏；

　　l友好的用户界面，字符面板、图形面板、菜单式操作；

　　l支持多种现场总线通讯协议，如Interbus-S、LonWorks、DeviceNet、Profibus-DP、Modbus、CAN、SDS等。

　　b)芬兰vacon变频器的原理图

　　三、Vacon变频器认证证书

　　见附件二

　　四、Vacon恒压供水方案

　　1.恒压供水系统的综述

　　水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型的，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。由于交流电机调速很困难，常用挡流板、回流阀或开/停机时间，来调节流量，同时大电机在工频状态下频繁开/停比较困难，电力冲击较大，势必造成电能损耗和开/停机时的电流冲击。采用变频器直接控制泵类负载是一种最科学的控制方法，当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的（80%）3，即51.2%，去除机械损耗电机铜、铁损等影响。节能效率也接近40%，同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。为达到节能目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。

　　2.Vacon恒压供水系统节能原理

　　l变频节能

　　为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。

　　阀门的开启角度与管网压力，流量的关系示意图如图1所示：

　　图1阀门位置与压力流量关系图

　　当电机以额定转速n0运行，阀门角度以a0（全开），a，a1变化时管道压力与流量只能是沿A，B，C点变化。即若想减小管道流量到Q1，则必须减小阀门开度到a1，这使得阀前压力由原来的P0提高到Pq，实现调速控制后，阀后压力由原来的P0降到Ph。阀前阀后存在一个较大的压差

　　△P=Pq-Ph。

　　如果让阀门全开（开度为a0），采用变频调速，使水泵转速至n1，且流量等于Q1，压力等于Ph，那么在工艺上则与阀门调节一样，达到用水控制的要求。而在电机的功耗上则大不一样。水泵的轴功率与流量和扬程或压力的成绩成正比。在流量为Q1，用阀门节流时，令电动机的功率为Nf=K*Ph*Q1。用变频调速比阀门节流节省的电能为：

　　N0-N1=K*(Pq-Ph)*Q1=Q1*△P。

　　由图可见，流量越低，阀门前后压力差越大，也就是说用变频调速在流量小，转速低时，节能效果更好。

　　变频节能效果计算示例：

　　现有水泵一台，配用55kW电机。供水量在80%—30%之间变化，设电机全速供水量为Qn，空载损耗为0.1(Y0≈cosnt)，每天总供水量为60%Qn，则全速Pp=(55－55×0.1)kW=49.5kW

　　节约的功率：

　　变频运行情况下，每天只需功率：

　　Pm=(5.5+(60%)*49.5)kW=16.192kW

　　节约的功率：Pj=(49.5－16.192)kW=33.308kW

　　如果电费按0.7元/kW小时计算，每年节约的电费如下：

　　33.308kW×24h×365×0.7元/kWh=204,244.30元

　　l动态调整节能

　　系统能迅速适应负载变动，供给最大效率电压。

　　变频调速器能随时监控电机的运行状态，保持电机的输出高效率运行。

　　l降压节能

　　在保证电机输出力矩的情况下，可适当降低电机的供电电压。减少电机的输出力矩，降低输入电流。

　　l软启动节能

　　在电机全压启动时，由于电机启动力矩的需要，要从电网吸收7倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。

　　采用软启动后，启动电流可从0--电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

　　l提高功率因数节能

　　电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。

　　采用变频节能调速器后，其性能已变成：

　　AC－DC－AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。

　　3.Vacon恒压供水方案优势和特点

　　l闭环压力或流量控制,使供水管网中保持恒定的水压；

　　l节能效果显著，短期内可收回投资；

　　l电机软启动，大大延长了设备的电气机械寿命。避免对电网的冲击；

　　l辅助电机起动后参考值自动进行阶跃补偿，避免压力损失；

　　l采用变频/工频可切换式恒压供水配置，专用的恒压供水软件，可方便用户根据需要编程；

　　l所有功能利用Vacon变频器来实现，无需外接控制器或PLC，面板操控，界面友好，节省大量按钮和指示灯；

　　l系统在水压不足需要增加工频辅助泵时，变频泵将自动降频，减小了辅助泵启动时的冲击；

　　l具备水泵定时自动切换功能，提高水泵平均使用寿命；

　　l系统提供节能工作方式，休眠功能；

　　l故障诊断机制，面板编程功能；

　　l内置EMC滤波及电抗器，电磁兼容性好屏蔽功能好，不会干扰其它控件；

　　l支持TCP/IP协议，易于实现总线控制和远程通讯；

　　l有多达11项的完善保护报警功能。

　　l避免变频达50Hz后停机切换到工频过程中停顿所造成的水压跌落。真正实现无间隔恒压供水。

　　4.控制方式说明

　　l系统中的所有水泵都有三种工作状态，分别为自动、手动和检修（停机）。

　　l利用水泵的工作状态转换开关可以选择每台水泵的工作状态。

　　l处于自动状态的水泵，将按下述的系统自动运行过程运行。

　　l处于手动状态的水泵，只能进行工频启停控制。

　　l处于检修（停机）状态的水泵，不能运转。

　　5.系统自动运行过程（无自动切换功能的1主2辅系统）

　　注：假定1#泵为变频主泵，2#泵和3#泵为辅助泵

　　a)变频器根据系统所需流量的大小，控制1#泵的变频运行，控制2#和3#辅助泵的启停。实现系统供水量从0到最大流量之间的变化，并保持管网压力的恒定。

　　b)系统起动后，根据系统流量的变化，变频器对管网反馈的真实压力信号和设定的压力基准值进行PID调节后，输出频率，控制1#变频主泵在0～51Hz之间运行，维持管网压力的稳定；

　　c)如果系统用水量增加后，1#变频主泵运行在51Hz，仍不能满足系统对用水量的需求，并持续20s（根据用户要求和实际情况，在0.0－300.0s之间可调）后，变频器确认一台水泵已不能满足系统的需求，此时，变频器将控制2#辅助泵工频起动；

　　d)2#辅助泵启动的同时，1#变频主泵在变频器的控制下先降到10Hz（根据用户要求和实际情况，在0.00－50.00Hz之间可调），再根据系统的情况调节变频主泵的运行频率，以消除辅助泵启动时对系统管网可能造成的压力冲击；

　　e)此后，2#泵处于工频50Hz运行状态，变频器根据流量的变化，调节1#泵在0～51Hz之间运行，维持管网压力的稳定；

　　f)同上，如果系统用水量继续增加，两台水泵依然无法满足系统的用水量需求时，变频器将控制3#泵工频起动；

　　g)相应的，如果系统用水量降低，原先的水泵组的供水量超出了系统的用水量，于是管网压力将超过设定值，此时变频器将自动对真实反馈值和基准设定值进行PID调节后，降低其输出频率（1#变频主泵的运行频率）；当其频率降到设定的最小运行频率10Hz，仍无法满足要求，并持续20s后，变频器将首先控制3#辅助泵停机；

　　h)3#泵停机的同时，1#变频主泵在变频器的控制下先升到51Hz，再根据系统的情况调节变频主泵的运行频率，以消除辅助泵停机时对系统管网的压力冲击；

　　i)同上，如果系统用水量继续降低，变频器将控制2#辅助泵停机；

　　j)若流量要求很低，单台变频主泵运行于设定的最低频率10Hz时，仍超出系统的需求时，变频器在延时30s（0～3600之间可调）后将自动控制变频主泵进入休眠状态。

　　k)此时，变频主泵处于停机，但变频器依然处于工作状态，并时刻检测系统管网压力的变化，这样可以有效减少电机和能源消耗；

　　l)当流量要求高于觉醒阈值11Hz（可设）一段后，变频器自动控制变频主泵觉醒，带动其正常运转。

　　另外，Vacon恒压供水系统还具有变频主泵和辅助泵的自动切换功能。启动该功能后，变频器可在设定的自动切换时间（0.0～3000.0h）到达后，自动将1#变频主泵切换成3#辅助泵，2#辅助泵切换成1#变频主泵，3#辅助泵切换成2#辅助泵，同时，自动切换时间将进行重新计数。该功能可以很好的平衡多台水平的运行时间，避免辅助泵长时间不运行，或主泵长时间不间断运行所造成的不良后果。