分析變頻器在隔膜泵控制系統中的應用

劉校通

（陜西神渭煤炭管道運輸有限責任公司，陜西 榆林 718300）

隔膜泵是在管道運輸過程中使用的核心設備，其具有活塞泵的優點，如耐腐蝕、輸出壓力高、隔膜室簡以及堅固耐用，同時它又克服了活塞泵的一些缺點，比如密封件易破損，隔膜室無動力源等。該產品可以獲得比較高的排壓，且不受流量的限制，適應輸送的介質范圍廣，吸收力強，工作效率高，其性能不會因為壓力大小和輸送介質的不同而發生改變。總之，隔膜泵在性能上非常優越，已經代替了活塞泵、離心泵、油隔離泵、渣漿泵等，廣泛應用于多個工業領域。如今，高性能的變頻器和先進的交流變頻調控技術在隔膜泵的使用上也越來越廣泛，不僅提升了隔膜泵的工作效率，還節約了能源，提升了經濟效益。PLC、網絡通訊技術聯合變頻器形成了整個隔膜泵控制系統，提升了隔膜泵的工業自動化水平。

1 簡介隔膜泵控制系統

隔膜泵控制系統由PLC、網絡通訊技術和變頻器3 大板塊組成。PLC 是該控制系統的核心部分，其他的部分通過現場總線與PLC 取得聯系。首先是數據采集階段，PLC 對控制系統中儀表以及傳感器單元、輸送介質等進行數據采集，其次，PLC 會對采集到的相關數據在內部進行計算，得出處理的結果。此外，PLC 同時還會發出準確的指令，然后經傳動單元使得輔助設備開始運作，當輔助設備開始正常運行，PLC 會發出指令直達變頻器，驅動變頻器的主電機開始運轉，從而達到對隔膜泵的控制作用。

2 隔膜泵中變頻器的應用特點

當變頻器和PLC 這類先進的控制技術結合的時候，能夠實現無觸點控制。以往的隔膜泵控制系統中，隔膜泵的啟動和調速主要是依靠繼電器和接觸器，而現在控制隔膜泵是通過變頻器和PLC 的結合，這有利于隔膜泵的遠程控制，甚至無人控制。尤其是變頻器中加入了現場總線技術后，計算機或者PLC 能夠利用通信技術對變頻器實行控制，使其能夠按照準確的工作程序工作，也實現了集中監測、分散控制。

在隔膜泵中應用變頻器能夠有效降低故障率，提升工作的可靠性。傳統的控制系統接觸器和繼電器的結構和操作復雜，故障率也比較高，而應用變頻調控系統后，使整個控制系統得到極大的簡化，且故障率低，工作的可靠性顯著提高。此外，變頻調速控制系統具有強大的保護功能，當隔膜泵工作時出現缺相、過流、欠壓、過壓等問題的時候，變頻器能夠及時準確地檢測出其中存在的問題，并且及時地采取措施，發揮保護功能，保護電機不受損害。最后變頻器的節能功能也比較強大，隔膜泵的負載屬于恒轉矩負載，這類機電在應用變頻器后，保持較好的調速節電效果。同時，隔膜泵的起動轉矩一般為額定轉矩的150%，制動轉矩一般為額定轉矩的100%，那么在選取變頻器的時候，應當選擇具有恒定轉矩性質的變頻器，且制動與啟動轉矩大，過載能力強以及過載時間長，還要求變頻器可以低速啟動，有變頻調速的效果，最高頻率與額定頻率相等，并無要求其調速的精度以及響應的速度。

3 變頻器在隔膜泵控制系統應用中的問題和對策

（1）環境問題。結合日常經驗而言，一般應用到隔膜泵的工業環境都比較惡劣，典型的行業比如化工行業、氧化鋁行業以及鐵礦產行業等，粉塵以及其他污染物比較多，所以綜合考慮到工業生產環境比較復雜和惡劣，應用于隔膜泵中的變頻器應該安裝在控制柜中。在粉塵較多的環境下使用變頻器，必須采取正確、科學的措施保護變頻器設備，防護得當能夠延長變頻器的壽命，保證變頻器能夠正常工作。具體可以采取以下措施：將裝有變頻器的控制柜整體密封，請專業人員設計合理的進風口和出風口，保障正常的通風；在控制柜的頂部加上防護網，設計防護頂蓋出風口，在控制柜的底部加上底板，設計進風口、進線控，也要進行防塵網的安裝。需要注意的是大部分變頻器廠家均未對變頻器的金屬結構件、印制電路板進行特殊防腐處理，當變頻器處于腐蝕性氣體強的環境時，時間一長，變頻器內部的金屬結構非常容易腐壞。所以，在購買變頻器的時候，要對變頻器的內部設計提出要求，并且測試其抗腐蝕性能，從而減少機器購買回來的被腐蝕的幾率。

（2）諧波問題。大多變頻器采用的為晶閘管這類非線性電力電子元件，無論采用何種整流方式，變頻器于電網中都不能以連續正弦波的方式吸收能量，而是以脈動的斷續方式。電網的沿路阻抗結合此類脈動電流的共同作用，在電網的電壓上形成了脈動電壓降疊加，從而促使電壓發生變化。根據傅立葉的級數分析理論，頻率一樣的基波和頻率大于基波的諧波共同組成了非同期的正弦波電流。這類諧波會對隔膜泵控制系統產生危害。首先對供電的線路而言，會產生附加的損耗。在集膚效應與臨近效應得到作用下，線路的電阻隨著頻率的上升而升高，產生的后果是浪費電能；再者中性線在正常時，其電流比較小，相對應的導線也比較細，如果三次諧波大量流過中性線，就會使得導線溫度過高，絕緣老化，進而損壞，威脅到PLC 的電源。諧波還會造成各類電氣設備無法正常工作。對于PLC 的斷路器，如果電流波形經過零點時，諧波就會影響di/dt 過高，進而造成開斷困難，使得故障電流的切除時間被延長。此外諧波還會干擾儀表的精確度，對PLC 的通訊造成影響，會出現噪聲，使得通訊質量下降，甚至還會丟失重要信息，導致系統不能正常運行，降低儀表的精確度，從而促使PLC 不能及時準確調控，使得設備的壽命減短。針對諧波問題，可以采取相應的對策進行改善。工作人員可以選用適當的電抗器。變頻器在電子電力器件的影響下，輸入電壓以及電流波都會出現畸變，且變頻器功率因數的計算也不能如常，以往是算電網電源基波中電壓和電流的余弦值，而這種情況下，要計算電源有功與無功的比值。變頻器的功率因素在一些情況下會變得很差，為了改變這種不良情況，可以將電抗器接入電網電源和變頻器的輸入端之間，使得電源與變頻器匹配度高，進而達到改善功率因數的效果，降低諧波帶來的不良影響。在PLC 控制系統里，電源極其重要，PLC 控制系統中，供電電源與有直接電氣連接的儀表盤供電電源耦合進入系統，就會形成電網干擾。現在大部分PLC 的供電電源采用的都是隔離性的電源，而系統中有直接電氣連接的儀表盤供電電源也采用了隔離措施，但其隔離變送器的分布參數大，導致干擾能力差，且通過電源耦合進行串入共模和差模干擾。因此在選擇儀表供電電源的時候，要注意選擇抑制帶大、電容小的配電器，從而減少PLC 系統帶來的干擾。還應該對PLC 控制系統的軟件進行抗干擾處理，提升系統的可靠性。比如數字濾波、工頻整形采樣，能夠降低周期性干擾，定時校正參考點電位以及動態零點可以防止電位漂移，信息冗余技術和軟件標志位能夠提升軟件結構的科學性。還要合理地選擇與鋪設電纜，工作人員可以屏蔽電力電纜，降低電磁干擾，將動力線與PLC 的信號線分開鋪設，可以使用雙絞線降低電磁干擾，變頻器動力、控制電纜的屏蔽層在進行安裝的時候需要接地，有些情況下還可以進行穿管，在PLC 通訊介質的選擇上，最好采用光纖介質。

4 結語

先進的交流變頻調控技術與高性能的變頻器在隔膜泵的應用上越來越廣泛，也使得隔離泵的調速性能更加優良，而變頻器與PLC 技術的結合，使得隔離泵的自動化水平顯著上升，提高了隔離泵工作的有效性和可靠性。與此同時，在隔離泵上應用變頻器，能夠有效節能節電，響應了節約能源、保護環境的口號，也降低了企業的成本。本文主要探討了變頻器在隔膜泵控制系統中的應用提點，發現其中存在的問題，并提出相應的對策，促進管道輸送行業的發展。