西门子变频器在恒压供水系统中的应用

2021-06-05王广智

机械管理开发 2021年4期

王广智

（抚顺矿业集团有限责任公司望花琥珀工贸分公司，辽宁抚顺 113000）

引言

当前阶段，纸张是人们生产生活中必不可少的工具，在加快信息交流、提升人们生活质量方面起到了很大的作用[1]。随着社会的不断发展，人们对纸张的质量要求越来越高，这对造纸行业提出了相对更高的要求[2]。造纸过程中会涉及很多环节，且绝大部分环节都会使用大量的水[3]。在我国这样水资源比较匮乏的国家，如何在保证纸张生产质量的前提下，尽可能降低水的使用量，是所有造纸工厂面临的问题[4-5]。随着造纸领域技术水平的不断提升，设计出了恒压供水系统，该系统的应用不但可以降低水的使用量，同时还能够显著提升纸张的生产质量[6]。其中变频器是恒压供水系统中最关键的部件之一。

1 恒压供水系统整体方案概述

1.1 系统的整体方案

如图1所示为基于西门子变频器的恒压供水系统结构框图。从图中可以看出，造纸车间会设置水塔用于存储自来水，随着造纸车间用水量的不断增加，水塔中自来水的水位会随之不断降低。通常水位越低则整个供水管网中的水压会随之降低。利用液位计和液位变送器可以对水塔中自来水的水位情况进行实时检测，并将检测结果输送到控制器中。另外，在水泵机组出口部位还设置了压力传感器，基于该压力传感器及压力变送器可以对水泵机组出口部位的水压进行实时检测，检测结果同样直接传输至控制器中。控制器对管网中的水压情况和水塔中自来水的水位情况进行综合分析，根据压力和水位实际情况下达控制指令对变频器进行控制，使其输出对应的电源频率，控制电机的启动数量及电机的实际转速，已达到控制供水系统水压的目的。

图1 基于西门子变频器的恒压供水系统工作流程框图

1.2 系统工作原理

图2所示为基于西门子变频器的恒压供水系统工作原理图，水位和水压监测信号输入到控制器中，控制器和PC机之间通过PROFIBUS-DP通讯总线及通讯模块等实现数据信息之间的交互，对监测信号进行分析与处理。控制器根据分析计算结果下达变频器的输出电源频率大小以及电动阀门的开度值大小。变频器根据指令可以对水泵切换电路进行控制，决定水泵的启动数量，同时还可以对启动水泵的电源频率进行控制，通过这种方式确保水压恒定。另外，控制器和PC机之间通过数据交换，可以将水位和水压监测结果、电泵的运行数量及其供电电源频率等关键工艺参数在PC机显示器中进行实时显示。

图2 基于西门子变频器的恒压供水系统工作原理图

恒压供水系统在启动时，首先只启动其中1台水泵，通过变频器将该水泵的功率调至最大值。如果仍然无法满足造纸生产实际需要，则通过控制系统下达指令启动另外一台水泵，直至供水系统中的水压达到要求为止。相反的，如果需要降低供水系统中的水压时，可以将其中一台水泵的频率降低为最低值，直至将其关停为止。

1.3 变频器的调速原理

造纸行业的供水系统中，主要通过异步电动机提供动力，电机的输出转速与供水系统的供水压力之间存在紧密联系。通过控制电机的输出转速就可以对供水系统中的供水压力进行有效控制。对于异步电动机而言，其运转时的速度可以通过下式进行计算：n=（（60f1）/p）（1-s）。式中，s表示转差率，正常情况下不会变化很大；p表示电机的绕组极数，为定值；f1表示电机电源的频率。如图3所示为电机供电电源频率与其输出转速之间的关系曲线。基于异步电动机的工作原理可以看出，只要能够改变电机电源的频率大小，就能对电机的输出转速进行有效控制，进而对水压进行控制。变频器的作用就是改变电源的频率大小，通过在电机前端设置变频器就可以改变电机电源的频率。如果变频器的性能较好，输出的电源频率范围较宽广，则可以实现异步电动机输出转速较大范围的调整。

图3 电机供电电源频率与其输出转速之间的关系曲线图

2 西门子变频器的选型与设计

在对变频器市场进行充分调研分析，并结合所设计的恒压供水系统实际情况的基础上，最终选用的是西门子公司研制生产的S120型变频器，如图4所示为西门子G120型变频器的基本结构图。从图中可以看出，变频器本身需要通过DC 24V电源进行供电，可以对频率为50Hz三相380～480 V的交流进线电源进行转换，得到理想的电源频率，对电机进行供电。变频柜中设置有很多模块，比如逆变模块、整流模块等，这些模块都可以基于DRIVE-CLiQ连接方式与PC工具进行数据信息的交换，以便PC工具对变频器进行控制。西门子S120型变频器是最新研制的专门针对电机进行转速控制的变频器，可以同时实现多种控制模式，如伺服控制、V/F控制、矢量控制。变频器在工作时通过调节相关的参数即可实现控制模式之间的相互转换。另外，此型号变频器还专门配置了对应的软件，软件界面简洁，操作简单，方便工作人员对其进行控制与操作。

3 西门子变频器在恒压供水系统中的应用效果

将上述基于西门子变频器的恒压供水系统应用到造纸工厂中，取得了很好的应用效果，以下进行简要分析。

图4 西门子S120型变频器的基本结构图

3.1 改善劳动强度方面

造纸车间如果没有使用基于西门子变频器的恒压供水系统，就需要安排专人对供水系统的水压进行人工调整，要求相关人员必须具备扎实的实践经验和技术水平。如果供水压力太低则达不到造纸生产的相关要求；相反的，如果供水压力过高，不仅会造成水资源的浪费，还会对供水管道及相关元件造成冲击，也会影响生产质量。使用恒压供水系统后，供水压力可以实现全自动控制，无需人为干预，只需安排人员注意观察即可。不仅保证了供水压力的恒定，为提升生产质量奠定了坚实的基础，也显著降低了人工的劳动强度，改善了车间的工作环境。

3.2 节省能耗方面

未使用恒压供水系统前，水泵启动时电机的最大电流值可以达到500 A左右。如此高的电流会对电机等造成很大的冲击，影响运行时的稳定性及其使用寿命。正常运行时电机的平均电能消耗为150 kVA。使用基于西门子变频器的恒压供水系统后，电机启动时的电流值控制在了100 A左右。显著降低了电流对设备造成的不良冲击，能显著提升电机的使用寿命。另外，正常工作时的平均电能消耗降低到了120 kVA左右。通过对比可以发现，西门子变频器在恒压供水系统中的实践应用能够节省电能消耗20%左右，可以为造纸车间创造良好的经济效益。

3.3 优化管网运行环境方面

没有使用西门子变频器时，供水系统启动时间只有0.3 s左右。在这么短的时间内，水流速度从零增加到正常工作速度，要求具备很大的加速度，这么大的加速度必然会对供水管网造成很严重的破坏，此现象称之为“水锤效应”。西门子变频器在恒压供水系统中的应用，可以直接在控制系统中输入设备的启动时间。通过这种方式能够降低“水锤效应”，进而优化管网的运行环境，提升管网运行稳定性及其寿命，能够显著降低造纸车间对供水系统的维护保养成本。