变频器恒压供水系统

目录1变频器恒压供水系统简介 11.1变频恒压供水系统理论分析 11.1.1变频恒压供水系统节能原理 11.1.2 变频恒压控制理论模型 21.2恒压供水控制系统构成 31.3变频器恒压供水产生的背景和意义 32变频恒压供水系统设计 52.1 设计任务及要求 52.2 系统主电路设计 62.3 系统工作过程 63器件的选型及介绍 83.1 变频器简介 83.1.1变频器的基本结构与分类 83.1.2变频器的控制方式 83.2 变频器选型 93.2.1变频器的控制方式 93.2.2变频器容量的选择 103.2.3变频器主电路外围设备选择 123.3 可编程控制器（ PLC） 143.3.1 PLC 的定义及特点 143.3.2 PLC 的工作原理 15333 PLC及压力传感器的选择164 PLC编程及变频器参数设置174.1 PLC的I/O接线图174.2 PLC 程序174.3 变频器参数的设置 214.3.1参数复位 214.3.2 电机参数设置 21总结 22参考文献 231 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给定参数 小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。变懈水泵1(PID)压力传感器Q图1-2变频恒压控制原理图反馈参数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STEP软件，它是西门子PLC勺视窗软件支持工具，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Hv 064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。 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： 1470 r/mi n额定电流： 126.6 A(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TIvTriJFWc匚匚匸匚cc匸1FP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 Ml M2和M3而接触器1KM3 2KM3和3KM3各工频电源接到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 1KM次电复位，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$制变频器、PWMI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。 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%勺额定转矩，对于多拖动具有负荷平 衡功能。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50 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 反馈 装置 速比IU/f=C控制电压空间矢量 控制矢量控制直接转矩控制不带PG带PG或PID调节器不要不带PG150%200%静态速度 精度/%土（0203）土 （0203）土 0.2土 0.2土 0.02土 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，贝U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：PenPmZ n（3.1）满足电动机容量： Pcn 23KUele cos x10-3（3.2）满足电动机电流： Ien Kle（3.3）式中Pen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），le为电动机额定电流（单位A）, n为电动机效率（通 常约为0. 85）, eos 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100KV，额定电流13926A，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MM430-110I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Iqn应选：IQN(1.31.4)IN(3.4)其中IN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DW1400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。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 IKN-IN 应该大于1266A,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 ： U 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 U 的影响。一般要求： U (23)%UN(3.5)U 的计算公式是：U = 31MN-R01 (V)(36)1000式中：UN 额定相电压，V；IMN 电动机额定电流， A ;R) 单位长度(每米)导线的电阻， mQ /m ;l导线的长度，m。由上两式可直接求出R0的取值范围。根据Ro值确 定导线面积。 由公式(35 )得： U 1+0Q0.0M0110 2AC0+29573AC0+29359MI0)10.4QO.OII(判断反馈值为H08,则使一号水泵定速工作，同时使二号水泵变速工作判断反馈值为052 H 0.64，则一号变频器定速或变速，当变频器输出频率达到上限值 时则手动输入有效水泵变为定速运行，否则变速运行。M0 2104Q0.1AC0I 一1 I1 1 i 11 1 1 +32767 *29359M0.1Q0.3判断反馈值为H 052时，则一号水泵变速运行。10.0Q0 0I一1( R )1Q0；1(R )1QCL2(R )1Q0r3(尺)1QOA( )1Q05停止按钮按下，所有水泵停止供水_( R )1102AC0ACO+2752410 2彳01-1 A卜+2S359+29573M03I0.4Q05Q0 4MQ1IO 21ACOI -1 * FQ0.5+29359+32767号水泵的工此段程序的功能为在一号水泵有故障时，通过手动切换使三号水泵代替作。到稳定供水。4.3变频器参数的设置4.3.1 参数复位1、P0003= 3（选择级别为专家级）2、设定 P0010= 303、设定P0970= 1 （设定P0970= 1后变频器将自动进入参数恢复程序，大约要10 20秒钟后才能将所有参数恢复为出厂缺省值，恢复的过程中变频器显示busy （忙）字样并闪烁。）4、显示 P0970则复位操作完成4.3.2电机参数设置P0010=1 （快速调试）P0100=0 （功率单位为KV； f的缺省值为50Hz）P0304=380 （电动机的额定电压）P0305=1266 （电动机的额定电）P0307=75 （电动机的额定功率）P0310=50 （电动机的额定频率）P031 仁1470 （电动机的额定转速）P0700=2 （变频器命令源选择为模入端子/数字输入）P1000=2 （模拟设定值）P1080=5 （电动机最小频率）P1082=50 （电动机最大频率）P1120=10 （电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间）P112 仁10（电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间）P3900=1 （结束快速调试）总结本论文研究的是变频恒压供水系统，此系统以变频器与PLC为核心进行设计。PLC控制变频器进行 PID 调节，同时变频器输出频率值控制水泵的转速。按实际情况设定压 力给定值， 根据压力变送器的反馈信号与设定值的压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水。该系统可靠性高、 效率高、节能效果好以及动态响应速度快，更好的实现恒压供 水。经过本次课设，我复习了变频器与 PLC 的相关知识，将所学的知识运用到了实际的 设计中， 这令我更直观地了解变频器的用途，也提高了我们动手动脑的能力。在遇到不 会的问题的时候通过 小组同学的相互讨论和老师的帮助也使之迎刃而解。感谢老师与同学们的帮助，使我通过做本次课设能有所提高。参考文献1 李良仁变频调速技术与应用北京：电子工业出版社，2004.12 : 85-922 康梅，朱莉.变频器使用指南.北京：化学工业出版社， 2008.10 : 174-1793 李白先，黄哲.变频器使用技术与维修精要.北京：人民邮电出版社， 2009.5 : 157-1614 魏连荣.变频器应用技术及实例解析.北京：化学工业出版社， 2008.4 : 73-133 吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用.第二版.北京：机械工业出版社，2004.46 廖常初PLC编程及应用北京：机械工业出版社，20037 韩安荣.通用变频器及其应用.北京：机械工业出版社， 2000