继电接触式变频恒压供水控制系统设计.docx

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继电接触式变频恒压供水控制系统设计

摘要

供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一。

任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。

本系统研究了变频调速技术在民用建筑供水系统中的应用，采用继电接触式控制系统和变频器作为主控单元，配合接触器，PID调节器，压力传感器，干簧管等构成了变频供水的智能控制系统。

其中为了节约成本采用继电接触式对系统进行逻辑控制，变频器进行压力调节，压力传感器时刻跟踪水泵出口压力和给定压力值的偏差变化，经PID调节器内部运算送入变频器，由控制电路控制3台电机的起停以及工频与变频的切换，实现闭环自动调节恒压变频供水，在保持恒压的前提下达到控制流量的目的。

充分发挥了变频调速的优势，具有高效节能，自动控制，性能稳定的优点。

关键词：

继电器，接触器，变频调速，恒压供水

ABSTRACT

Thewatersupplyprojectoftenbecomesoneofmostimportantinfrastructuresinthehigh-riseconstructionortheIndustrialandminingestablishmentandtheSmallbusinesses.Providingtheenoughwatervolumeatanytime,thesteadyhydraulicpressure,thequalifiedwaterqualityistheessentialrequirementswhichproposedtotheaqueoussystem.Thissystemhasstudiedthefrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyinthecivilconstructionwatersupplysystem'sapplication,usingrelayandcontractorcontrolsystemandthefrequencychanger,coordinatesthecontactdevice,thePIDregulator,thepressuretransmitter,reedpipesandsoontoconstitutethefrequencyconversionwatersupplyintelligentcontrolsystem.Andtosavethecost,Itusesrelayandcontractortofinishthelogicalcontrol,thefrequencychangertofinishthepressurecontrol,thepressuretransmittertimetrackwaterpumpoutletpressureandassignsthevalueofpressurethedeviationchange,sendsinthefrequencychangerafterthePIDregulatorinternalarithmetic,controls3electricalmachinerybythecontrolcircuittostopaswellasthepowerfrequencyandthefrequencyconversioncut,realizestheclosedloopautomaticcontrolconstantpressurefrequencyconversionwatersupply,maintainstheconstantpressurethepremiseissuesthecontrolcurrentcapacitythegoal.ThissystemhasfullydisplayedtheadvantageofVaviablefrequencyControl,hastheexcellenceofenergyconservation,automaticcontrol,stablepropertymerit.

KEYWORDS:

Relay,Contacor,VaviablefrequencyControl,Constantpressurewatersupply

前言

1供水技术应用：

传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。

但是他们有不可避免的缺点。

恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。

供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。

⑴水箱/水塔供水

系统用水由水箱/水塔直接供应，即为重力供水。

供水压力比较稳定，且有贮水。

但它是由位置高度所形成的压力来进行供水，为此需要建造水塔或将水箱置于建筑屋顶的最高度。

在大型建筑中即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，同时由于其存水量较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼层的建筑面积，也妨碍美观。

此外，屋顶水箱必须高出层面几米，建筑立面较难处理，而且投资周期长。

⑵气压供水系统

气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅地下室或某些空余之处设置水泵机组和气罐设备，采用压力给水来满足供水要求。

气压供水系统是以气压罐代替水塔或高位水箱，利用密闭压力水罐内空气的压力将罐水压送到管网中去，其优点是灵活性大、建设快、少受污染、不妨碍美观，有利于抗震、消除管道中的水锤与噪声；缺点是需用金属制造，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需使用张力膜或设置空气压缩机充气，因此消耗动力较多，维护费用高。

⑶变频恒压供水系统

随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，该技术得以在供水行业普及。

变频调速恒压供水系统是根据用水量的多少，自动调整系统参数，最终实现向用户恒压供水，该系统具有以下优点：

①节约用水，供水的系统，常常由于夜间用水少，管道内的压力往往比白天高，水压越高，管件越容易损坏，造成跑、冒、滴、漏，多次发生夜间崩管事故。

采用变频器进行变频恒压供水，管道保持恒压，可杜绝崩管现象，减少跑、冒、滴、漏，从而节约用水。

供水量无级调节

②恒压供水，可保持系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持在合理的范围内，管接件所承受的压力减小，延长了更换周期，减少了维修的投入，并且避免了管道崩裂事故。

对于电机和水泵来说，由于起动过程平缓，可运行在最佳工作状态，不再产生“憋泵”现象，运行损耗小，发热大为降低，从而延长了使用寿命。

③自动控制无人值守：

无级调速、噪声小、压力稳定、稳压精度极高。

④工作稳定，水泵电机由变频器软起动无冲击电流，有利于延长电机和水泵的寿命，也避免了水锤。

⑤完善的保护功能（过流、过压、过热、电机相间和对地短路等），多种报警输出。

⑥手动工须运行控制，可以保证设备的安全连续运行。

2变频恒压供水系统的发展

变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。

恒压供水调速系统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，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。

随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。

充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义，在短短的几年内，调速恒压供水系统从早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。

国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的G11S/P11S系列产品；等等。

这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。

恒压供水调速系统的系统的稳定性、可靠性、自动化程度，节能等方面这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。

目前该产品正向着高可靠性、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，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发`智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

3本课题所需工作：

本设计就是一针对一个建筑物的供水系统，采用变频器、PID调节器、单片机、继电器等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。

组成一闭环控制系统，对水泵出口压力进行控制，保持水压恒定。

当用水量发生变化时，可调节水泵速度，或启动第二台水泵，保证水压恒定。

此控制系统具有生活、生产一体化的优点，高效节能。

本着节约成本的考虑采用继电接触式控制系统，由继电器，接触器等器件构成控制回路包括自动、手动运行，多种保护、显示等。

第一章系统组成及可行性分析

1.1变频调速的基本原理

三相异步电动机电动势的有效值为

，上式中，kw1为定子绕组系数，f为定子电流频率，

为定子每相绕组匝数，

为每极最大主磁通。

由上式可见，要使

保持不变，就必须使

与f比值保持不变，即

/f=const,但是

的大小无法从外部电路中进行测量，从电机理论中我们知道，在忽略定子绕组的绕组压降时，电动势

与定子相电压相等，即：

，从而得出

/f=const。

频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。

若频率上升，则磁通降低，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。

显然这些都是不允许的为此，要在降频的同时还要降压。

这就要求频率与电压协调控制，也就是说调速装置输出的电压和频率的比值应保持不变，因此这种变频器被称为VVVF。

传统的笼型异步电动机调速方法有变频调速、调压调速、电磁转差离合器调速、液力耦合调速。

变频调速以体积小、重量轻、调速范围宽、通用性强、保护完善、可靠性高，操作方便等优点后来者居上，成为交流电动机调速技术的主流，在国民经济各个部门以及人民生活中都获得了广泛应用，经济效益和社会效益都非常显著。

1.2变频恒压调速在供水系统中的应用

自从变频调速技术成熟发展以来在供水系统中也得到了很好的应用，恒压供水调速系统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，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。

变频调速恒压供水设备的主要应用于下列场合

⑴高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

⑵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。

⑶中央空调系统。

⑷自来水厂增压系统。

⑸农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

⑹各种流体恒压控制系统。

1.3系统工艺流程

采用三台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，按此压力设定值变频调节水泵工况是常用方式，这种方式的控制点在给水设备间里，管理维护都比较方便。

而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。

在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。

另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。

如下图为恒压供水构成示意图

图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，变频恒压供水系统压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过PID调节器送入变频器，来改变电动水泵转速。

当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

1.4控制要求及技术指标

三台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，用变频器、调节器、继电器、接触器等组成闭环调节系统，以保正水泵出口压力恒定。

水泵的切换方式为：

三台水泵作变频运行。

当第一级变频泵达到工频运行时，第二台备用泵变频启动。

当第二台变频泵再次达到工频运行时，第三台备用泵变频启动。

停泵时依次停第一、二台泵。

参数要求为：

1、用水量：

正常供水量20立方米/小时，最大供水量55立方米/小时，扬程68米。

2、用三台水泵供水。

3、控制压力为0.3MPa，控制范围0.3+0.02MPa，同时设定压力可调。

4、设定自动、手动。

5、各种所需保护。

6、面板上有压力、频率、电压等显示。

1.5可行性分析，节电分析

在城市配水管网的压力经常或周期性的室内所需要的供水压力，室内用水量较大且不均匀时，供水不足或过剩的情况时有发生。

这种不平衡集中反映在压力上：

用水多而供水少，压力低。

用水少而供水多，则压力大。

若能保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，从而提高供水的质量。

为了达到这一目的避免传统的供水措施的缺陷和不足可采用采用变频恒压供水系统。

根据理论分析，当电源电压一定时，电机消耗的功率与其转速的立方成正比，即

其中N1和N2是电机消耗的功率，n1和n2是相应于N1和N2的转速。

当水泵的扬程一定时，其出水量与转速成正比，即：

其中，Q1和Q2表示相应于n1和n2的水泵的出水量。

因此在维持水泵压力恒定的条件下，通过调整水泵机组的转速从而调整水泵的出水量，就可以大大节约电机所消耗的功率而达到节能的目的。

我国国家科委和国家经贸委《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机调速技术列为国家九五计划重点推广节能技术项目。

应当指出，变频恒压供水节能效果主要取决于用水流量变化情况及水泵合理选配，使变频恒压供水具有优良节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联供水模式。

由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，多泵并联变频恒压变量供水工作模式通常是这样：

当用水流量小于一台泵工频恒压条件下流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增大，变频泵转速自动上升；当变频泵转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供流量是恒定（工频转速恒压下流量），其余各并联工频泵按相同原理投入。

一般的说，变频调速恒压供水方式用于生活供水，节电效率很高，可达50%，用于工业供水则在30%～40%之间。

例一个居民小区的供水水泵功率为15kw，每天维持水压和小流量供水的时间约占全天的2/3，这个时段消耗的电能约120kw·h，如果采取特别的节能措施，起码节约100kw·h的电能，一年下来就是36000kw·h，按每1kw·h电能0.65元计算，每年可节约2.34万元。

可靠性、使用寿命、整体造价是用户关心的问题，也是生产厂家关注的问题。

恒压供水控制器、变频器的质量好坏决定了设备的可靠性和使用寿命。

我公司主要采用国际知名品牌变频器和单片计算机为产品配套，生产中严格按照ISO9001:

2000规范进行检验，整套设备主要部件使用寿命一般在10年以上.。

对于郊区或农村用水量变化大的用户，变频调速恒压供水方式更加优越。

综上所述，此方案具备可行性。

第二章系统设计

2.1主电路设计

如下图为电控系统的主电路图。

三台电机分别为M1，M2，M3。

接触器KM1，KM3，KM5分别控制电机M1，M2，M3的工频运行;接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的变频运行;FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器;QF1，QF2，QF3，QF4分别为三台水泵电机和变频器的低压断路器。

QF为总断路器。

主电路图

2.1.1变频器的工作原理

实现变频调速的装置称为变频器。

变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCUDSP）等部分组成。

整流部分，如图所示D1D2D3D4D5D6，这六个二极管把三相整流成直流电，小功率变频器一般直接使用整流二极管整流，某些品牌如西门子，ABB等欧洲品牌的变频器，55KW或以上变频器则采用半控或全控三相桥式整流；直流部分，由C1C2R1R2组成直流环节，主要作用是滤波，使电压保持稳定，以及承担整流与逆变部分能量转换；逆变部分，有VR1VR2VR3VR4VR5VR6组成逆变电路，这六个逆变开关管有规律的关断与导通，把直流电变成频率与电压可调的交流电。

首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。

在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。

2.1.2变频器的发展

变频器的发展今的变频器有突显的数值化，智能化特征。

随着计算机技术的飞速发展，人们对数字化信息的依赖越来越强。

为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统采用全数字化控制模式。

单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。

例如由Intel公司1983年开发生产的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。

其高档型：

8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。

而且由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益发展深化。

扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等先进理论均广泛应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。

DSP芯片被广泛的应用。

如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。

最近TI公司推出的MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。

在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线网络也扮演了相当重要的角色。

STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。

2.1.3电机运行的控制

三台电机分别为M1，M2，M3。

接触器KM1，KM3，KM5分别控制电机M1，M2，M3的工频运行;接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的变频运行。

每一台电机设低压断路器和热继电器作为保护。

手动状态下每个电机设置一启动按钮，一停机按钮自由控制电动机的起停，每一台电机工频变频之间有互锁。

在自动状态下电机之间工频变频之间的切换由压力信号来控制。

当频率达到上线，压力达到下限时，用压力信号来控制变频转工频，同时启动下一台泵的变频，在压力达到上限时，控制停机，若三台泵都已启动则先停M1的工频，如果用水量还是较小，压力再次达到上限时停M2的工频，只留下M3变频运行。

若只有M1，M2运行，则先停M1，留M2变频运行。

当下次有压力下限信号来的时候M3变频转工频，M1工频再次启动，然后再次运行如前。

若是M3工频，M1工频，M2变频的状态，停机的时候是先停3号泵，再停1号泵，留2号泵变频运行。

同理若M2,M3工频，M1变频，则先停2号泵，再停3号泵。

如此往复循环起泵停泵。

2.1.4工频变频切换与变频器工作的时序的关系

为了避免变频器在没有负载时依然有输出，在变频和工频的切换过程中，变频器可以在适合的时候关闭，所用变频器有一个端子由继电器的常开触点控制，比如从一号机的变频传工频再切换二号机的变频时，要求先断开接触器常闭触点，关闭变频器输出，然后通过KM1断开一号电机的变频，接通KM2启动工频，再接通二号机的变频，最后才闭合变频器上的常闭触点再次启动变频器，实现了无扰切换。

2.1.5PID调节器的应用和原理

（1）调节器的原理

调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。

调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。

信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。

在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

（2）PID的控制规律

比例（P）控制：

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

积分（I）控制：

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制：

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

（3）PID算法的数学模型

PID控制的原理基于下面的算式:

其中:

M（t）:

PID回路的输出，是时间的函数;

Kc:

PID回路的增益;

e:

PID回路的偏差（给定值与过程变量之差）;

Minitial:

PID回路输出的初始值。

为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的