【项目背景】

在化工和石油部门的生产中，原料、半成品和成品大多是液体，而将原料制成半成品和成品，需要经过复杂的工艺过程，泵在这些过程中起到了输送液体和提供化学反应的压力流量的作用。通过流体力学的基本定律可知：离心泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n²，P∝n³；即流量与转速成正比，压力与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。

液体搅拌机械在化工等行业的生产过程中应用很广泛。搅拌机械在设计时均是按使用工况的要求考虑一定余量的，而搅拌机在实际使用的过程中，则不一定要在最大转速下工作，有很多时间都可以工作在非满载状态。传统的搅拌机通常不进行调节或采用机械方式调速。机械方式调速会增大搅拌机的损耗，同时会使搅拌机工作在波动状态，也使搅拌机设备工作在“大马拉小车”的状态，很不经济。

因此，在化工厂里使用变频器对泵与搅拌机进行改造控制已经提到议事日程。以下是对这两类负载进行改造时必须要注意的几个方面。

1.电动机的再启动

一些要求高效率运行的泵，通常要求工频电源供电与变频器供电随时可以相互切换。从工频电源切换到变频器运行时，要求变频器必须具有转速跟踪功能。这样电动机从电网切离后，在滑行情况下平滑切换，实现空转再启动功能，从而提高了连续运行的可靠性和稳定性。

2.自诊断连续运行

用于化工设备中的泵和搅拌机经常会由于电源干扰发生跳闸事故，且原因难以查找。发生异常工况时，变频器首先进行自诊断，如果系统没有问题则自动复位后再启动。在这段时间内利用速度检测功能找出自诊断过程中电动机降速的原因，并使其达到原速度，即要求系统应该具有异常恢复功能。

3.免跳闸运行功能

泵传动具有下降转矩特性，其有效的过载保护功能使其运行在过转矩检测方式下。此时，一旦达到设定的过载电流值，变频器的输出频率就降低，即在运行中失速。对于具有下降转矩特性的负载，只有在平衡点作短时间运行，待负载下降后便自动恢复到原来所设定的频率。对于搅拌机负载来说，由于在搅拌过程中突发负载，必须进行限电流控制，以确保化工工艺的有序进行，这时，变频器的免跳闸运行功能就尤其重要。

4.电动机的温升

利用正弦波PWM变频器对通用电动机调速时，流过电动机的电流比应用工频电源时的电流约大5％，特别是低速运行时，电动机冷却风扇的能力下降，此时必须降低负载转矩或限定运行时间等。然而，当低速时的负载转矩与转速的二次方或三次方成正比下降时，则没有温升问题。为了起到有效的保护作用，可在电动机内装设热敏电阻元件，但此方式使电动机造价提高、结构相对复杂。然而，利用变频器系统软件进行保护，即根据电动机的电流、输出频率、运行时间以及电动机冷却能力等对电动机线圈温度进行仿真与控制，则是一种有效的保护方式，这种保护方式随运行频率变化，由于可以自动改变保护特性，故可以在整个控制范围内保护电动机。

【项目要求】

图3-47所示为某化工厂的工艺流程。其工作原理是：在投料口B01投入粉末状的化工原料，经振动器均匀地分散后由计量式螺旋推进器M02送入料槽B02；料槽中的水量是通过M03清水泵来进行控制，同时保证液位始终稳定在相同的高度，经搅拌器M01的工作确保了化工原料与水的混合均匀，然后得到相对稳定浓度的溶液，并制成半成品从料槽的下端输出。

在化工厂泵与搅拌机控制流程中，电动机M01、M02和M03需要进行变频控制，以达到一定的控制效果，具体要求如下：

1）对M01、M02和M01进行控制，其中M02和M03能在自动情况下跟随M01速度；

2）M02和M03能在手动情况下用电位器进行调速；

3）M01故障后，随即停止M02和M03；

4）三台电动机的功率为M01为3.7kW，M02和M03为3.2kW，且都必须安装热继电器；

5）对于M01来说，运行频率既能设定为2段速度，从低到高依次为25Hz和50Hz，设定方式简单快捷；也能通过电位器简单设定速度。

图3-47 工艺流程

【项目实施】

实施步骤①：化工厂泵与搅拌机变频控制系统的硬件设计。

图3-48所示为化工厂泵与搅拌机变频控制系统的总体设计思路，其内容包括：

1）VF₁、VF₂和VF₃分别控制电动机M01、M02和M03，并在电动机端安装热继电器，其选型跟普通继电器没有区别，并进行电流整定为1.1倍的额定电流；

2）对于VF₁来说，其频率设定通过电位器Rp₁或多段速，同时通过输出AM信号，即变频器运行速度信号给VF₂和VF₃，VF₂和VF₃在自动情况下，即RH信号接通时进行同步跟随；(www.daowen.com)

3）对于VF₂和VF₃来说，通过选择RH信号，可以工作在自动和手动两种情况，在手动情况下，采用电位器输入信号，即Rp₂控制VF₂、Rp₃控制VF₃；

4）VF₁故障异常后，其ABC端子动作，KA₄动作，随即停止VF₂和VF₃，且只有在VF₁动作复位的情况下才能再次启动。

为了确保多段速合理的应用，本项目中选择了多位转换开关H5881／3，其外观、面板与功能如图3-49所示。该选择开关提供了六个选择位，而这里需要用到其中的2位和0位，其余几位以方便扩充用。

实施步骤②：化学品电动机的变频器参数设置与调试。

图3-48 总体设计思路

图3-49 多位转换开关

a）外观 b）面板 c）功能

1）VF₁搅拌机变频器参数设置（见表3-13）。

表3-13 VF₁参数设置

2）VF₂螺旋推进器变频器参数设置（见表3-14）。

表3-14 VF₂参数设置

3）VF₃清水泵变频器参数设置（见表3-15）。

表3-15 VF₃参数设置

拓展

现代工业生产中，多台电动机的交流调速系统应用日益广泛，要求多台电动机之间按照一定的控制规律快速而协调地运行。其中，速度同步运行是最基本的控制方式，它可以采取以下三种方式。

1.模拟量同步控制

当一台整机或一条生产线中各个传动单元分别由独立的变频器驱动时，为了保证整机在一个主令转速的设置下，各单元同步协调工作（这里为固定的牵伸比），需要配置同步控制器。该同步控制器可对各单元传动速度分别整定，以实现各单元以一定的比例速度同步工作，总的主令设定电压（由电位器决定）通过给定积分器输出，可实现软启动和软停车。

2.脉冲信号同步控制

通常情况下，最大输入脉冲频率可以在0.1～50kHz之间选择。第一台变频器在主令电位器的控制下输出同步脉冲数给第二台变频器，第二台变频器接受脉冲数进行运转并同时输出同步脉冲数给第三台，以此类推。

3.通信总线同步控制

通常情况下，同步控制可采用RS-485总线的异步通信控制方式。选用变频器标准内置的RS-485可以方便地实现与上位机的通信；同时也可挂现场总线或局域网，通过网络进行信息交换，主要有PROFIBUS、Modbus、FF、DeviceNet、CC-Link等对应不同的网络及总线形式，但必须配用专用接口卡。