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变频器恒压供水系统方案设计论文
武汉理工大学华夏学院
变频器在恒压供水系统中的应用
关键词：
变频器、PLC、恒压供水
信息工程系自动化1073
李华坤（09）
2010-06-09
《变频器技术》课程论文
目录
1变频器恒压供水系统简介1
1.1变频恒压供水系统理论分析1
1.1.1变频恒压供水系统节能原理1
1.1.2变频恒压控制理论模型2
1.2恒压供水控制系统构成3
1.3变频器恒压供水产生的背景和意义4
2变频恒压供水系统设计4
2.1设计任务及要求4
2.2系统主电路设计5
2.3系统工作过程6
3器件的选型及介绍7
3.1变频器简介7
3.1.1变频器的基本结构与分类7
3.1.2变频器的控制方式7
3.2变频器选型8
3.2.1变频器的控制方式8
3.2.2变频器容量的选择9
3.2.3变频器主电路外围设备选择11
3.3可编程控制器（PLC）13
3.3.1PLC的定义及特点13
3.3.2PLC的工作原理14
3.3.3PLC及压力传感器的选择14
4PLC编程及变频器参数设置15
4.1PLC的I/O接线图15
4.2PLC程序15
4.3变频器参数的设置18
4.3.1参数复位18
4.3.2电机参数设置18
附录19
参考文献20
1变频器恒压供水系统简介
1.1变频恒压供水系统理论分析
1.1.1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HJ（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Hf（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。
1.1.2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
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，变频器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。
图1-2变频恒压控制原理图
1.2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。
图1-3恒压供水系统方框图
水压由压力传感器的信号4-20mA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。
西门子系列PLC编程采用STEP7软件，它是西门子PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。
系统程序包括主程序和起动子程序，主程序包括参与调节程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。
起动子程序实际上是清零子程序。
在主程序中，设置两个变频器频率上下限到达滤波时间继电器，用于稳定系统。
1.3变频器恒压供水产生的背景和意义
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，对国民经济有重大意义。
我过泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因，至使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。
目前，大量的动能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。
因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。
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、防雷避雷技术、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。
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H≥0.8时，一台定速，一台变速，一台备用。
母管压力H≤0.64时，一台定速或变速，二台备用。
母管压力H≤0.52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：
380VAC；
额定转速：
1470r/min
额定电流：
126.6A
（3）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1KM2、2KM2、和3KM2用于变频器输出，分别接到水泵M1、M2和M3，而接触器1KM3、2KM3和3KM3将工频电源接到3台水泵。
变频器可以对任何一台水泵启动和恒压供水控制。
空气开关（QL）是当电动机过载时自动将电动机从电网中断开
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中用作电动机的过载保护。
2.3系统工作过程
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、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器件的选型及介绍
3.1变频器简介
3.1.1变频器的基本结构与分类
1、变频器的基本结构
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。
变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。
其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
2、变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
3.1.2变频器的控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
（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。
3.2变频器选型
3.2.1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，以便做到量才使用、经济实惠。
下表中参数供选用时参考。
表3.1控制方式的比较
控制方式
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
<1:
40
1:
60
1:
100
1:
100
1:
1000
1:
100
起动转矩（在3Hz）
150%
150%
150%
150%
零转速时为150%
零转速时为>150%~200%
静态速度精度/%
±（0.2~0.3）
±（0.2~0.3）
±0.2
±0.2
±0.02
±0.2
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
3.2.2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，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。
应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。
2、从效率的角度：
系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。
从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：
（1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。
（2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。
（3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。
（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。
（5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。
3、从计算功率的角度：
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（3.1）
（2）满足电动机容量：
Pcn≥√3KUeIecosφ×10-3（3.2）
（3）满足电动机电流：
Icn≥KIe（3.3）
式中Pcn为变频器容量（单位kW），PM--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0．75），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1．05～1．1）。
将本系统参数带入求得所取变频器容量最低为88KW故取100KW，额定电流139.26A，故取150A。
根据计算所得的所需参数可以选取西门子MicroMaster430（风机水泵专业）变频器，具体的可以选择MM430-110K型号的变频器，他配接电机的容量是110kw，额定电流为205A满足使用需求，可以选择。
3.2.3变频器主电路外围设备选择
1、断路器
当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。
当变频器输入侧发生短路等故障时，进行保护。
选择原则
（1）变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍；
（2）变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；
（3）变频器允许的过载能力为150%，1min。
为了避免误动作，断路器的额定电流
应选：
（3.4）
其中
为变频器的额定电流。
故选择断路器额定电流选择210A
根据上述数据可以选择断路器DW15—400断路器额定电压为380V，额定电流为300满足要求可以选择。
2、接触器
（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126.6A,可以选择主触点额定电流为130A的接触器。
根据上述数据施奈德的LC1—D150，满足参数要求，可以选择
3、主电路的线径
（1）电源和变频器之间的导线
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。
（2）变频器和电机之间的导线
因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的情况下，线路电压降
在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。
这有可能导致电动机带不动负载并发热。
所以，在决定变频器和电动机之间导线的线径时，最关键的因素便是线路电压降
的影响。
一般要求：
（3.5）
的计算公式是：
（3.6）
式中：
——额定相电压，V；
——电动机额定电流，A；
——单位长度（每米）导线的电阻，mΩ/m；
——导线的长度，m。
由上两式可直接求出
的取值范围。
根据Ro值确定导线面积。
由公式（3.5）得：
～11.4）V
由公式（3.6）得：
0.69mΩ/m
1.04mΩ/m
根据表3.1判断所需的导线截面积，为了满足控制系统的要求，应该选择截面积为16
的导线。
表3.2常用电动机引出线的单位长度电阻值。
标称截
面/mm2
1.0
1.5
2.5
4.0
6.0
10.0
16.0
25.0
35.0
/（mΩ/m）
17.8
11.9
6.92
4.40
2.92
1.73
1.10
0.69
0.49
4、制动电阻
准确计算制动电阻值十分麻烦，在实际工作中基本不用。
许多变频器的使用说明书上给了一些计算方法，也有的直接提供了供用户选用的制动电阻的规格。
但按说明书上选择电阻时须注意下面问题，变频器生产厂家为了减少制动电阻档次，常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻。
选用时，应注意根据生产机械的具体情况进行调整。
对同一挡中电动机容量较小者，制动转矩与额定转矩的比值偏大。
为了减小能量的消耗，应根据制动过程的缓急程度以及飞轮力矩的大小，考虑能否选择阻值较大的制动电阻。
对同一挡中电动机容量较大者，制动转矩与额定转矩的比值偏小。
在一些飞轮力矩较大，又要求快速制动的场合，或者如起重机械那样，需要释放位能的场合，上述制动电阻有可能满足不了要求，靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。
3.3可编程控制器（PLC）
3.3.1PLC的定义及特点
在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），英文缩写为PC，并作如下定义：
“可编程序控制器是一种数字式电子装置。
它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
PLC的特点如下：
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮行程开关接近开关传感器及变送器电磁线圈控制阀直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
3.3.2PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
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