变频器恒压供水课程设计.docx

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1、变频器恒压供水课程设计 目录 1变频器恒压供水系统简介 . 错误！未定义书签。 1.1变频恒压供水系统节能原理 . 错误！未定义书签。 1.2变频恒压控制理论模型 . 错误！未定义书签。 1.3恒压供水控制系统构成 . 错误！未定义书签。 1.4恒压供水系统特点 . 错误！未定义书签。 1.5恒压供水设备的主要应用场合 . 错误！未定义书签。2变频恒压供水系统设计 . 错误！未定义书签。 2.1设计任务及要求 . 错误！未定义书签。 2.2系统主电路设计 . 错误！未定义书签。 2.3系统工作过程 . 错误！未定义书签。 2.3.1减泵过程 . 错误！未定义书签。 2.3.2加泵过程 . 错误

2、！未定义书签。 3 器件介绍及选型 . 错误！未定义书签。 3.1变频器介绍 . 错误！未定义书签。 3.2变频器的种类 . 错误！未定义书签。 3.3变频器选型 . 错误！未定义书签。 3.3.1变频器的控制方式 . 错误！未定义书签。 3.3.2变频器容量的选择 . 错误！未定义书签。 3.3.2变频器主电路外围设备选择 . 错误！未定义书签。 3.4可编程逻辑控制器（PLC）. 错误！未定义书签。 3.4.1 PLC的工作原理 . 错误！未定义书签。 3.4.2 PLC及压力传感器的选择 . 错误！未定义书签。4PLC编程及变频器参数设置. 错误！未定义书签。 4.1 PLC的I/O接线

3、图 . 错误！未定义书签。 4.2 PLC . 错误！未定义书签。 4.3 变频器参数的设置 . 错误！未定义书签。总结 . 错误！未定义书签。参考文献 . 错误！未定义书签。 1变频器恒压供水系统简介 1.1变频恒压供水系统节能原理 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不 变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)，如图1-1所示。 图1.1供水系统的基本特征 由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q(u)间的关系。而管阻特性是

4、以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H J (Qu )。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H f (Qc )。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中A 点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图1-1供水系统的基本特征。变

5、频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通 过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时

6、间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。 由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P 与管网的水压H 及出水流量Q 的乘积成正比；水泵的转速n 与出水流量Q 成正比；管网的水压H 与出水流量Q 的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率P 与转速n 三次方成正比，即： 1P k

7、 HQ = （2.2） 2n k Q = （2.3） 23H k Q = （2.4） 3P kn = （2.5） 式中k 、k1、k2、k3为比例常数。 当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E 点，流量为Q 1，扬程为H 0，当供水量从Q 1减小到Q 2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b 3移到b 1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H 0上升到H 1，运行工况点从E 点移到F 点，此时水泵的输出功率正比于H 1Q 2。当用调速控制时，若采用恒压(H 0)，变速泵(n 2)供水，管阻特性曲线为b 2，扬程特性变为曲线n 2，工作点从E 点移到D 点。此时水泵输出功率正比于H

8、0Q 2，由于H 1H 0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H 1H 0)Q 2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H 1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。 1.2变频恒压控制理论模型 变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就 是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上

9、从图1.2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。 PID D/A 变频器 接触器水泵机组管道 压

10、力变送器 A/D 给定 管网压力 PLC 图1.2变频恒压控制原理图 1.3恒压供水控制系统构成 变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 如图1.3，水压由压力传感器的信号0-5V 送入变频器内部的PID 模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID 运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而

11、实现控制水泵转速。由于变频器内部自带的PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、 不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。 图1.3恒压供水系统方框图 1.4恒压供水系统特点 1.节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行； 2.节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象； 3.运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。 4.联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站

12、点，如电机的电压、电流工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。 5.控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。 6.自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。 1.5恒压供水设备的主要应用场合 1. 高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。 2. 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。 3. 中央空调系统。 4. 自来水厂增压系统。 5. 农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

13、 6. 各种流体恒压控制系统。 压力变送器 给定值 变频器 水泵 用户管 压力 + - 2变频恒压供水系统设计 2.1设计任务及要求 本系统是以一个供水系统作为被控对象，PLC与变频器协调控制电机的转速与启动和停止。 系统控制要求: (1) 工艺参数: 供水系统由3台水泵组成： 母管压力H0.8时，一台定速，一台变速，一台备用。 母管压力H0.64时，一台定速或变速，二台备用。 母管压力H0.52时，一台变速，二台备用。 (2) 电动机参数：型号：JD-L-39-4 功率：75KW 额定频率：50Hz 额定电压：380V AC； 额定转速：1470 r/min 额定电流：126.6 A (3)

14、 水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。 (4) 变频器采用远方控制方式。 (5) 通过母管压力变送器测得实际压力大小，同时和压力给定组成闭环控制。 (6) 变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。 (7) 变频器的报警处理。 2.2系统主电路设计 图2.1 系统主电路图 由恒压供水主电路图可见，接触器KM2、KM4、和KM6分别用于变频器输出，分别接到水泵M1、M2和M3，而接触器KM1、KM3和KM5将工频电源接到3台水泵，变频器可以对任意一台电机进行变频输出，接触器的通断可以对任何一台水泵启动和恒压供水控制。空气开关（QS）是当电动机过载时自动将电动机从电网中断开热继电器（F

15、R）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中用作电动机的过载保护2.3系统工作过程 2.3.1减泵过程 当用水量减少、水压上升、变频器输出频率低于下限值时，但管网压力仍偏高时，则各泵将依次退出运行，依次退出运行的方式有两种。 （1）先开先停方式。PLC接收到下限频率到达信号，延时一定时间后，接触器1KM2失电复位，水泵M1脱离工频电源停止运行。变频器输出频率仍然低于下限值，重复上述过程，水泵M2脱离工频电源停止运行，变频器驱动水泵M3恒压供水，水压稳定在设定值上。这种方式称为循环方式，通常用于各台水泵的容量都相等的供水系统中。其 优点是可以自动的使各泵运行的时间比较均衡；缺点是工频运行

16、状态直接停机时，可能由于停机太快而使管网压力发生较大波动。 （2）先开后停方式。首先使正在变频运行的M3减速停机，然后使变频器的输出频率升至50Hz，将M2切换为变频工作，依此类推这种方式通常用于各台水泵的容量不相等的供水系统中，其优点是水泵的停机比较缓慢，管网压力比较稳定；缺点是不能自动地循环变换。 2.3.2加泵过程 首先由M1在变频控制的情况下工作。当用水量增大、水压下降，变频器输出频率上升到50Hz时水压仍然不足，经过短暂的延时，将M1切换为工频工作，同时变频器的输出频率迅速降低为0，然后使M2投入变频运行。当M2也达到额定频率而水压仍不足时，重复开始运行时的过程，水泵M2脱离变频器驱

17、动，由工频供电全速运行，变频器驱动水泵M3变频运行，使水压恒定在设定值上。 3 器件介绍及选型 3.1变频器介绍 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了

18、非常广泛的应用。 3.2变频器的种类 常用的变频器有交一直一交电压型变频器、交一直一交电流型变频器、交一交变频器和脉宽调制(PWM)变频器。 交一交变频器是直接将电网的交流电变换为电压和频率都可调的交流电，电路构成简单，效率高，低速大容量时经济，最高频率一般只能达到电源频率的1/21/3，适用于低频大容量的调速系统。 交一直一交电流型变频器的特点是在逆变器的直流侧串联平波电抗器，使直流电平直，形成电流源，可以方便地实现负载能量向电网回馈，可以快速、频繁地实现四象限运行，同时可以实现电流的闭环控制，提高了装置的可靠性。适用于单机快速调速系统。 交一直一交电压型变频器在直流侧并联大客量滤波电容以缓

19、冲无功功率，直流电源阻抗小，形成电压源；能量回馈电网较难，只能能耗制动，适用于小容量和频率不高的调速系统。 PWM变频器的特点是调频和调压都由逆变器完成，二极管整流提供恒定的直流电压；变频功率因数高，调节速度快；输出电压和电流波形接近正弦波，改善了由矩形波引起的电动机发热、转矩降低等电动机运行性能，适用于单台或多台电动机并联运行，动态性能要求高的调速系统。 3.3变频器选型 3.3.1变频器的控制方式 控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量

20、才使用、经济实惠。 (1) V/f控制 V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f 控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时

21、还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。(3) 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度 传感器的矢量控制方式两种。 (4) 直接转矩控制 直接转

22、矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 (5) 最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。 下表中参数供选用时参考 表3.1控制方式的比较 控制

23、方式U/f=C控制 电压空间矢量控 制 矢量控制直接转矩控制 反馈装置不带PG 带PG或PID 调节器 不要不带PG 带PG或编码器 速比I 150%200% 静态速度精度/% （0.2 0.3） （0.20.3） 0.2 0.20.020.2 适用场合一般风 机、泵 类等 较高精度调 速，控制 一般工业上的调 速或控制 所有调速 或控制 伺服拖动、高精 传动、转矩控制 负荷起动、起 重负载转矩控 制系统，恒转 矩波动大负载 故选择U/f=C控制 3.3.2变频器容量的选择 变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。 1、从电流的角度： 大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。 选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，