变频器在供水系统中的应用.docx
《变频器在供水系统中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器在供水系统中的应用.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
变频器在供水系统中的应用
交流调速课程设计
题目：
交流调速系统在供水系统上的应用设计
指导教师：
班级：
机检
姓名：
摘要
本论文根据加压泵站供水要求，在原来自耦降压启动控制的基础上，改造设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。
变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。
本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。
采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。
压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。
该系统还保留原来的控制系统备用。
当自动控制系统不能运行时，起动原来的控制系统。
以保证能不间断的提供正常的供水。
关键词：
变频器；可编程控制器；恒压供水
目录
一绪论-1-
二总体方案-1-
2.1设计要求-1-
2.2电机运行要求-2-
2.3总体流程图-3-
三主电路的设计-3-
3.1变频器的选择-3-
3.2熔断器的选择-4-
3.3自动控制开关的选择-4-
3.4主电路的线径-4-
3.5主电路图-5-
四控制电路的设计-6-
4.1控制系统框图-6-
4.2PLC的选型-8-
4.3PLC的接线-8-
4.4变频器的接线-9-
4.5变频器的基本参数的设定-11-
4.6PID调节器-12-
4.7压力传感器的接线图-13-
五经济性分析-14-
5.1变频器恒压供水节能原理-14-
5.2调速节能-14-
5.3变频启动节能-15-
5.4变频调速恒压供水的节电规律-15-
5.5元器件的价格表-15-
小结-16-
参考文献-16-
一绪论
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，对提高经济效益有重大意义。
目前，有一20年前的加压泵站已不能适应当前的应用环境，需要改造。
因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的、有效地控制策略方法是目前较为重要的一件事。
随着变频技术的发展，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于供水系统中。
变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应企业正常供水、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制、远程监控技术与一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便的实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
二总体方案
2.1设计要求
本系统是以PLC与变频器协调控制电机的启动、运行时的转速和停止，来达到供水系统的恒压供水的目的。
系统供水要求：
根据加压泵站的3台水泵的实际设备配置情况，增设变频器装置及循环控制装置一套，使每一台的电机能单独进入自动恒压供水闭环控制系统。
保留原来的降压启动电器柜备用。
在自动故障时，可以手动控制，使电器柜运行，确保正常供水。
图2-1恒压供水系统框图
2.2电机运行要求
运行由变频柜与循环转换柜、水泵、水流、压力传感装置构成的闭环自控系统，首先由变频柜软启动1#水泵，变频器频率从零升至50Hz，水泵达到额定转速。
此时供水压力若达不到设定的压力，系统自动将1#水泵切换到工频恒速运行，变频器再软启动2#水泵，进行调速供水，如还达不到设定压力，系统又自动将2#水泵切换到工频恒速运行，变频器又再软启动3#水泵，直到达到设定压力，变频器始终停留在某一水泵上调速运行。
如运行中变频泵频率降至设定的最低频率，供水水压大于设定压力，系统将自动停止最先启动的水泵，如仍大，再停第二次启动的水泵。
在夜间运行时，当最后一台变频泵频率降到设定的最低频率，此时供水压力还大于设定的压力时，变频装置将进入休眠状态，系统自动停止水泵工作。
此时由压力传感装置监视管网压力，若低于设定压力的0.05MPa，变频装置自动唤醒，启动水泵补水。
该系统就如此循环启动、调速运行、停止，不断进行调整，达到恒压供水的目的。
2.3总体流程图
图2-2流程图
三主电路的设计
3.1变频器的选择
对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：
（1）满足负载输出：
Pcn≥Pm/η
（2）满足电动机容量：
1.5Pcn≥
KUeIecosφ/1000
（3）满足电动机电流：
Icn≥KIe
式中Pcn为变频器容量（单位kW），Pm为负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），η为电动机效率（通常约为0．85），cosφ为电动机功率因数（通常约为0．80），K是电流波形补偿系数（通常K约为1．05～1．1）.
本系统参数:
电机容量75KW,供电电源400V。
带入求得所取变频器容量最低为88KW故取100KW，电流135.32A，故取150A。
根据计算所得的所需参数可以选取三菱变频器，具体的可以选择FR-F740-S110K-CH型号的变频器，他配接电机的容量是110kw，额定电流为180A满足使用需求，可以选择。
3.2熔断器的选择
熔断器的作用：
当变频器输入侧发生短路等故障时，进行保护。
主熔断器的额定电流为三台电动机的额定电流和。
熔断器电流大于总电流和。
故选择熔断器的额定电流为450A。
根据以上数据选则茗熔RS97M（450A）熔断器。
额定电压400V。
额定电流450A.
3.3自动控制开关的选择
接触器的选择
（1）主要作用：
可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电；变频器发生故障时，可自动切断电源。
（2）选择原则：
由于接触器自身并无保护功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点的额定电流
，应该大于135.32A,可以选择主触点额定电流为170A的接触器。
根据上述数据施奈德的LC1—D170，满足参数要求，可以选择。
3.4主电路的线径
（1）电源和变频器之间的导线的选择
一般说来，和同容量普通电动机的电线选择方法相同。
考虑到其输入侧的功率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来决定线径。
根据主线路的电流选择电缆的线径.查表1可知选择直径为19.55mm的电缆。
（2）变频器和电机之间的导线
根据电机额定电流选则电缆线的线径查表1可知选线径为直径为6.68mm的电缆线。
表3-1
3.5主电路图
图3-1主电路
电机有两种工作模式即：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
四控制电路的设计
4.1控制系统框图
图4-1控制系统框
如图4-1所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0～5V电压信号）；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项功能。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面等部分组成。
（1）执行机构
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网。
（2）信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号自来水出水水压信号。
水压信号:
它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
（3）控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
①供水控制器:
它是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。
②变频器:
它是对水泵进行转速控制的单元。
变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
③电控设备:
它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。
用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。
（4）人机界面
人机界面是人与机器进行信息交流的场所。
通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。
人机界面还可以对系统的运行过程进行监示。
（5）通讯接口
通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。
4.2PLC的选型
水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。
控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC的2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统启动运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。
系统所需的输入/输出点数量共为24个点。
本系统选用FXos-30MR-D型PLC。
4.3PLC的接线
图4-2PLC的接线图
Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。
Y6控制变频器的工作与停止。
X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。
在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。
频率检测的上/下限信号分别通过FU和OL输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
手动运行
当按下SB7按钮，用手动方式。
按下SB10手动启动变频器。
当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。
为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。
可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵。
该方式仅供自动故障时使用。
自动运行
由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制。
升压控制：
系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态。
当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速；反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速。
当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行；同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行。
当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警。
降压控制：
当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。
当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。
4.4变频器的接线
根据设计的要求，本系统使用FR-F740系列变频器，如下图所示：
图4-3FR-F740的管脚说明
管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。
X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
图4-4变频器接线图
4.5变频器的基本参数的设定
变频器的功能很多，一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。
实际应用中，没必要对每一参数进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可，但有一些参数由于和实际使用情况有很大的关系，且有的还互相关联，因此要根据实际进行设定和调试。
表4-1
参数号
名称
代码
设定值
备注
1
上限频率
Pr.1
50HZ
2
下限频率
Pr.2
0HZ
7
加速时间
Pr.7
15s
8
减速时间
Pr.8
30s
9
电子过电流
Pr.9
180A
电机的过热保护
10
直流制动动作频率
Pr.10
5HZ
到设定频率是直流制动
11
直流制动时间
Pr.11
1s
72
PWM频率选择
Pr.72
25
80
电机容量
Pr.80
9999
135
工频切换顺序输出端子选择
Pr.135
1
138
异常时工频切换选择
Pr.138
1
178
STF端子功能选择
Pr.178
60
正转
179
STR端子功能选择
Pr.179
61
反转
4.6PID调节器
仅用P动作控制，不能完全消除偏差。
为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。
用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。
但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。
对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。
对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。
偏差小时，P动作的作用减小。
控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。
在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。
换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。
利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。
采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。
这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节）效果比较好。
图4-5PID控制框图
通过对被控制对象的传感器等检测控制量（反馈量），将其与目标值进行比较。
若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。
也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。
它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。
通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及目标值的设定。
根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。
图4-6PID控制接线图
4.7压力传感器的接线图
压力传感器使用KE-260型绝对压力传感器。
改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3V（DC）。
图4-7压力传感器的接线图
五经济性分析
5.1变频器恒压供水节能原理
任何利用交流感应电动机作为电力传动方式的生产机械，电动机的功率是按最大负荷期额定负荷选择的。
而工作时绝大部分不能满载运行，电动机工作于满电压、满速度而负载很小，也会有很多时间空载运行，由电机设计和运行特性可以知道，电动机只有运行在满载时才是效率最高、功率因子最佳状况，轻载时降低，空载时甚至降到0.3N以下，造成许多不必要的电能损耗。
现在采用检测负载大小的方法，根据负载的减少，适当降低定子电压可以提高效率，这是因为当轻载、空载时定子电流有功分量很小，而主要是励磁的无功电流，因此功率因子很低，而空载损耗中占主要成份的是定子满电压的铁损耗，一点没有减少，所以效率很低。
如果适当降低定子电压，见电机定子感应电势公式:
其中:
N1一定子每相绕组串联匝数；
KN1由于轻载、空载时定子电流很小，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，所以U1约等于E1,当其它条件不变时，降低定子电压U1，则功率因子比例下降，也即励磁无功电流也成比例下降，这样定子电流中的无功分量减少了，功率就提高了，适当控制可以接近最佳值。
随着U1下降，定子铁损以平方比例迅速下降，这样轻载、空载时占主要损耗的铁耗大量减少，使电机的运行效率大大提高，这就是轻载降压节电的道理。
5.2调速节能
根据风机及泵类机械的定理：
其中：
Q——流体的流量；
n——风机的转速；
M——轴转矩；
P——轴功率；
由上公式可见，只要改变n，则流量Q成比例变化，达到调节Q的目的。
而轴功率可大大的减少。
5.3变频启动节能
通常感应电机采用直接接入电网启动方法，电机的启动电流为额定电流的3—5倍，这不仅损耗大，对电网的冲击也大，如用变频启动，可以将电流限制到很小，如满载启动，也只要比额定电流稍大就行。
这样启动损耗大大降低了。
既不冲击电网，也不冲击机械。
5.4变频调速恒压供水的节电规律
对于水泵设备，流量Q与转速n成正比，温差与转速成反比，轴功率与转速成三次方正比，如下表转速与节能率的变化关系：
转速n%
流量Q%
温差
%
轴功率P%
节电率%
100
100
100
100
100
90
90
111
72.9
27.1
80
80
125
51.2
48.8
70
70
143
34.3
65.7
60
60
167
21.6
78.4
50
50
200
12.5
87.5
从上表可以看出变流量控制系统的节能效果是十分明显的。
5.5元器件的价格表
表5-1
名称
型号
厂商
价格（元）
备注
变频器
FR-F740-S110K-CH
三菱
24280
接触器
LC1—D170
施耐德
280
熔断器
RS97M
茗熔
260
PLC
FX0S-30MR-D
三菱
300
传感器
KE-260
鑫义冠
170
电缆
BV300
起帆
181/捆
小结
本文针对加压泵站供水的特点，在原来的基础上设计开发了一套基于PLC的变频恒压供水自动控制系统。
该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，并保留了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。
压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。
该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知识面。
在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。
比如：
在硬件设备之间的连接，I/O端口的分配，地址的分配这几方面自己起初不是很了解，但经过这半年的自学，以及向老师、同学们请教，我对这些知识有了更深入的理解。
通过这两周的实践和学习，我学到了很多课本中无法涉及到的知识，体会到了工程设计的复杂与困难，也感受到了亲自做出成绩的成功与喜悦，这些都为以后的学习打下了坚实的基础。
在以后的学习和生活中，我会不断的提高、充实自己，争取获得更大的成绩。
参考文献
[1]廖常初.PLC编程及应用.北京：
机械工业出版社，2003.
[2]宋书中，常晓玲.交流调速系统.北京：
机械工业出版社，2006.
[3]冯跺生.交流调速系统.北京：
机械工业出版社，2008.
[4]李华.变频调速技术在供水系统中的应用.电气传动自动化，1996.
[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:
机械工业出版社，1996.
[6]屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002.
[7]刘润华.可编程序控制器在变频调速供水系统中的应用.基础自动化1997
[8]FR-F740使用手册应用篇.
[9]施耐德工控产品选型手册.
课程设计分工：
学号
姓名
设计内容
05
冯鑫鑫
流程图
06
郝萍
主电路
07
王婷
控制电路
08
李金金
整体思路分析
41
张晓辉
经济性分析
升级会员 