电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计_毕业设计说明书.doc

）本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计42电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计摘要本论文是根据某电厂综合水泵房工艺要求，现拟对中水提升泵和工业补给水泵两套系统进行变频调速改造。其中中水提升泵系统（一控三），其变频柜控制三台75kw水泵，变频泵定时循环运行，一周自动切换一次，当变频泵不能满足要求时，自动软启动一台工频泵,当变频泵仍然不能满足压力给定值时，再自动软启动第三台水泵。工业补给水泵系统（一控二），其变频柜只控制两台37kw小泵，水泵不要求定时循环运行，但能够手动切换运行。当变频泵不能满足要求时，自动启动另一台工频小泵。75kw大泵只能工频手动控制，不参与变频自动控制。两套系统的基本构成均由变频器（含pid）、软启动器、电动机、压力传感器等构成，而且都利用了变频器来控制水泵电机的软启动和转速。压力变送器用来检测水泵房管网中的当前水压，以电信号的方式送入变频器的pid控制器与设定值进行比较后执行pid运算，对变频器的输出频率和电压进行控制，从而改变水泵电机的转速进而改变供水量，最终使管网中的水压稳定在设定值的附近。关键词：变频器、软启动器、水泵、pid、调速the design of frequency control system of an integrated water pump house of a power plantabstractthis paper is based on technical requirements of an integrated water pump house of a power plant. it is intended for water lift pump and industrial water supply pump frequency control two systems transformation. where the water lift pump system (one control three), its variable frequency counter control three pumps of 75kw, these pumps need timing loop operation, one week automatically switch once. when one pump can not meet the requirements, automatically starts frequency pump, when two pump still can not meet the pressure setpoint, and then a third pump automatic soft starts. industrial supply pump system (one control two), its variable frequency counter only control two small pumps of 37kw, the two pumps do not require timing loop to run, but thesystem can be run manually, when one pump can not meet the requirements, automatically starts another small pump. 75kw large pump only manual control by power frequency and it does not participate in frequency control. the basic structure of the two systems by the frequency inverter (including pid), soft starter, motor, pressure sensors, etc. and both two systems have taken advantage of the inverter to control the pump motor soft start and speed. pressure transmitter used to detect current pipe pressure of pump, in the form of electrical signals sented into the pid controller of inverter and compared with the set value , after that the pid operation is performed, which is to control the inverter output frequency and voltage, thus changing the pump motor speed and then change the water supply, and finally making the pipe network water pressure stabilized at the setpoint nearby. keywords: frequency inverter, soft starter, water pump, pid, speed control目录摘要iabstractii第一章 引言11.1 研究背景11.1.1 变频技术的国内外发展与现状11.1.2 国内外水泵变频系统的现状11.2 本设计研究的主要内容2第二章 水泵变频调速控制系统总体设计方案52.1变频调速控制系统的理论基础52.1.1三相异步电动机的调速原理52.1.2软启动器及其使用62.2水泵变频调速控制系统的分析说明92.2.1水泵变频调速恒压供水系统构成102.2.2水泵变频调速恒压供水系统的控制策略102.2.3两系统的主电路接线图112.2.4软启动器控制系统的过程分析13第三章 系统硬件的设计173.1变频控制柜的组成173.2 变频器183.2.1变频器的构成183.2.2变频器的主电路183.2.3变频器的控制电路193.2.4变频器的特点与比较213.2.5变频器的选型223.2.6变频器的外部运行操作233.3 pid调节器243.4软启动器的选择253.5压力变送器的选择263.6其它电气元件27第四章 mm430系列变频器的快速调试324.1参数复位324.2快速调试334.3功能调试34总结35参考文献36附录a37致谢41第一章 引言1.1 研究背景1.1.1 变频技术的国内外发展与现状近年来电力电子器件的材料开发和制造工艺水平不断提高，尤其是高压大容量绝缘栅双极型晶体管igbt、集成门极换向晶闸管igct器件的成功开发，与此同时伴随着微型计算机控制技术及电机拖动控制系统理论的发展，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日臻完善。如今我国每年大约60%的发电量是由电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，受到了国家和业界人士的重视。在80年代末90年代初以及中期，我国变频技术主要依赖于国外产品进口。国外变频技术发展从20世纪80年代后半期开始，尤其以欧洲、美国、日本发展较早，基于vvvf技术的变频器技术产业也愈来愈成熟。而在我国这十几年的变频技术发展期间，我们走的是集成化的道路，从先学习国外的先进技术到自主的创新研发。我国自主研发变频器的生产地区主要集中于南方地区，且主要集中为低压变频器，但多数国外跨国企业在我国变频技术占有主导地位，不仅是低压变频方面，还包括了高压变频方面。1.1.2 国内外水泵变频系统的现状随着变频技术的发展和恒压供水系统的稳定性、可靠性以及显著的节能效果等方面的优点，国内外变频器厂家纷纷开始重视并推出了具有恒压供水功能的变频器，像三菱变频器fra740，虽然它本身带有pid控制器，可以实现频率和电压的自动调节，但是要实现多台变频泵的自动切换、水泵的变频工频切换功能，需要外接plc，实现起来系统更加复杂，同时也不利于后期的维护。像原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频(5.5kw22kw)，无需外接plc和pid调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(emc)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.2 本设计研究的主要内容本设计是以电厂综合水泵房的中水提升泵及工业补给水泵两套系统为控制对象，采用变频技术，设计一套某电厂综合水泵房的恒压供水系统，现拟对其进行变频调速改造。其中3台中水提升泵配备一台变频器，采用一面变频柜；2台工业补给水泵配备一台变频器，采用一面变频柜；在综合水泵房安装一套双电源切换装置，为两套变频调速系统供电。中水提升泵变频调速系统可由现场集控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对中水提升泵电动机转速控制。表1.1 电动机的参数表电动机型号y315s-6额定电压380v额定功率75kw台数3额定电流140a绝缘等级f工业补给水泵变频调速系统可由现场集控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对工业补给水泵电动机转速控制。表1.2 电动机的参数表电动机型号y2-200l2-2额定电压380v额定功率37kw台数2额定电流68a绝缘等级f另外一台工业补给水泵不参与变频调速，只工频运行。表1.3 电动机的参数表电动机型号y2-280s-4额定电压380v额定功率75kw台数1额定电流140a绝缘等级f具体要求如下：1、控制方式：中水提升泵采用一控三的方式，工业补给水泵采用一控二的方式。具体如下：以母管压力为自动控制依据，根据运行情况，设定母管压力实现恒压供水。在用水高峰期，变频器以较高频率运行，保证正常的用水压力。当不用水时，变频器运行在0hz,水泵电机停车。当下次用水时，随着用水量的增加，管网压力降低，变频器开始由低频启动，直到运行在满足用水压力要求的相应频率下。另外两台水泵作为工频备用泵，当变频水泵达到额定频率且人不满足系统用水要求时，自动启动1台工频备用泵。如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备用泵频繁启动。当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。当启动1台工频备用泵仍不满足系统用水要求是在启动另外一台工频备用泵，以满足系统用水要求。为了保证水系的安全用水，系统应设计变频器故障旁路功能。即在变频器检修或故障情况下系统具有工频供水功能，使供水系统更加安全，更加可靠。系统采用的变频器，可实现pid控制，能无冲击的再启动瞬停后正在旋转的电动机。2、变频柜功能变频柜控制方式分为：手动操作、自动运行两种。具体功能描述如下：操作方式选择功能 系统的操作方式由设置在变频控制柜上的转换开关选择。手动操作功能手动操作由设置在控制柜上的启动、停止按钮完成。自动运行功能自动运行方式下，系统根据压力设定自动调节运行泵的转速及投运泵的台数。压力设定有控制柜上的压力设定电位器完成。设备状态指示功能控制柜上设有每台供水泵的启动、停止按钮及设备运行状态指示灯显示功能。恒压供水功能变频系统与工频系统的切换功能当变频器出现故障时，能切换到工频状态运行，保证系统供水的可靠性。控制柜应留有信号接口，能够把每台电机的运行信号、过载信号、运行电流、变频器频率、主管网压力返回控制室。3、中水提升泵系统（一控三）中水提升泵要求变频泵定时循环运行，一周自动切换一次，当变频泵不能满足要求时，自动启动一台工频泵。4、工业补给水泵系统（一控二）工业补给水泵变频柜只控制两台37kw小泵，75kw大泵只能工频手动控制，不参与变频自动控制。水泵不要求定时循环运行，但能够手动切换运行。当变频泵不能满足要求时，自动启动另一台工频小泵。5、双电源柜为了保证供水系统的安全，供电电源要求采用双电源供电。当一路断电时，另一路能立即投入。第二章 水泵变频调速控制系统总体设计方案2.1变频调速控制系统的理论基础2.1.1三相异步电动机的调速原理水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： (2.1)式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l) 改变转差率(2) 改变电机极对数(3) 改变频率改变转差率调速，异步电动机运行时，从定子传给转子的电磁功率一部分转化为有效功率被负载消耗掉，另一部分就是转差功率。而转差功率等于转差率与电磁功率的乘积。又因为电磁功率等于转矩乘以角速度，所以若负载不变则电磁功率等于常数。那么负载不变时转差功率正比于转差率，改变转差功率就可以改变转差率，从而改变电机的转速。有两种改变转差功率的办法，一是把全部的转差功率转化成热能消耗掉，但这种调速在转速越低时效率也越低，如降低定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻、电磁转差离合器的调速都属于该方式；二是除小部分能量消耗在转子电阻上外，其余大部分反馈给电网或被充分利用。绕线转子异步电动机一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变频率调速，由公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频技术的发展。2.1.2软启动器及其使用传统的三相异步电动机启动线路较简单，不许外加启动装置，但其启动电流冲击较大，启动转矩较小且不可调节。电动机停机时采用控制接触器的触点断开，切掉电源，从而使其自由停车，这样会造成电网的剧烈波动。对于启动电流和启动转矩要求较高的场合，可选用软启动器。其主要特点具有软起动和软停车功能，启动电流和启动转矩可调节，另外还有电动机过载保护等功能。1.软启动器的工作原理如图2.1所示为软启动器内部原理结构示意图。它主要由三相交流调压电路和控制电路构成。其基本原理是利用晶闸管的移相控制原理，通过控制晶闸管的导通角来改变其输出电压，达到通过调压来控制启动电流和启动转矩的目的。控制电路按预定的启动方式，通过检测主电路的反馈电流，控制其输出电压，可以实现不同的启动特性。最后软启动器输出全压，电动机全压运行。由于软启动器内部会对电流实时检测，因此它具有对电动机及其自身的热保护、限制转矩电流的冲击、三相电源的不平衡等功能。图2.1 软启动器原理示意图2.软启动器的控制功能异步电动机在软起动过程中，软启动器通过控制加在电动机上的电压来控制电动机的启动电流和转矩，启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。一般软启动器可以通过改变参数设定得到不同的启动特性，以满足不同的负载特性要求。 (1)斜坡升压启动方式斜坡升压启动特性曲线如图2.2所示。此种启动方式一般可设定启动初始电压u和启动时间t。这种启动方式断开电流反馈，属开环控制方式。在电动机启动过程中，电压线性逐渐增加，在设定的时间内达到额定电压。这种启动方式主要用于一台软启动器并接多台电机或电动机功率远低于软启动器额定值的应用场合。(2)转矩控制及启动电流限制启动方式转矩控制及启动电流限制特性曲线如图2.3所示。此种启动方式一般可设定启动初始力矩t。启动阶段力矩限幅t，力矩斜坡上升时间t和启动电流限幅i。这种启动方式引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属闭环控制方式。由于控制目标为转矩，因此软启动器输出电压为非线性上升。图2.3同时给出启动过程中转矩t、电压u、电流i和电动机转速n的曲线，其中转速曲线为恒加速度上升。在电动机启动过程中，保持恒定的转矩使电动机转速以恒定加速度上升，实现平稳启动。在电动机启动的初始阶段，启动转矩逐渐增加，当转矩达到预先所设定的限幅值后保持恒定，直至启动完毕。在启动过程中，转矩上升的速率可以根据电动机负载情况调整设定。斜坡陡，转矩上升速率大，即加速度上升速率大，启动时间短。当负载较轻或空载启动时，所需启动转矩较低，可使斜坡缓和一些。由于在启动过程中，控制目标为电动机转矩，即电动机的加速度，既使电网电压发生波动或负载发生波动，通过控制电路自动通过增大或减小启动器的输出电压，也可以维持转矩设定值不变，保持启动的恒加速度。此种控制方式可以使电动机以最佳的启动加速度、以最快的时间完成平稳的启动，是应用最多的启动方式。随着软启动器控制技术的发展，目前它大多采用转矩控制方式，也有采用电流控制方式，即电流斜坡控制及恒流升压启动方式。此种方式间接控制电动机电流来达到控制转矩目的，与转矩控制方式相比启动效果略差，但控制相对简单。图2.2斜坡升压启动方式 图2.3转矩控制及启动电流限制启动方式(3)电压提升脉冲启动方式电压提升脉冲启动特性曲线如图2.4所示。此种启动方式一般可设定电压提升脉冲限幅u。升压脉冲宽度一般为5个电源周波，即100ms。在启动开始阶段，晶闸管在极短时间内按设定升压幅值启动，可得到较大的启动转矩，此阶段结束后，转入转矩控制及启动电流限制启动。该启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。(4)转矩控制软停车方式当电动机需要停车时，立即切断电动机电源，属自由停车。传统的控制方式大都采用这种方法。但许多应用场合，不允许电动机瞬间停机。如高层建筑、楼宇的水泵系统，要求电动机逐渐停机，采用软启动器可满足这一要求。软停车方式通过调节软启动器的输出电压逐渐降低而切断电源，这一过程时间较长且一般大于自由停车时间，故称为软停车方式。转矩控制软停车方式，是在停车过程中，匀速调整电动机转矩的下降速率，实现平滑减速。如图2.5所示为转矩控制软停车特性曲线。减速时间t一般是可设定的。图2.4 电压提升脉冲启动方式 图2.5 转矩控制软停车方式(5)制动停车方式当电动机需要快速停机时，软启动器具有能耗制动功能。在实施能耗制动时，软启动器向电动机定子绕组通人直流电，由于软启动器是通过晶闸管对电动机供电，因此很容易通过改变晶闸管的控制方式而得到直流电。如图2.6所示为制动停车方式特性曲线，一般可设定制动电流加入的幅值i和时间t，但制动开始到停车时间不能设定，时间长短与制动电流有关，应根据实际应用情况，调节加入的制动电流幅值和时间来调节制动时间。图2.6制动停车方式2.2水泵变频调速控制系统的分析说明水泵变频调速系统因其控制性能稳定、可靠性能强，节能效果好等特点，被广泛地应用于高层建筑、安全消防、污水处理、工厂和电厂水泵房中。水泵变频调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据需求水量的变化自动调节系统的运行状况，在需求水量发生变化时保持水管内部的压力恒定以满足用户的要求，是今天比较先进、科学合理的节能型供水系统。在实践运用中如何充分合理地利用专业应用的变频器所含有的各种功能，对合理设计变频调速系统、降低投资成本、保证技术质量等方面有着重大意义。变频调节电动机转速的恒压供水方式与曾经的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投入量和运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、快速性等方面都拥有无可比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正朝着强的可靠性、全能的数字化、高的集成度等方向发展。水泵变频调速系统能适用生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)系统的控制对象是管网的水压，它是一个过程控制量，同其它一些过程控制量(如：温度、流量、液位等)一样，对控制作用的响应具有延迟性。同时用于电机速度控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)管网中因为有管道内部的摩擦阻力、水锤效应等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵电机旋转速度的变化与管道内水压的变化成正的比例关系，所以水泵变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(3)水泵变频调速恒压供水系统具有广泛的通用性，然而面向种类繁多的供水系统，不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面又存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有工频泵的加入减少，而工频泵的控制(包括工频泵的停止和运行)是时时发生的，同时工频泵的运行状态直接影响供水系统，使其不确定性增加。因此我们可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是具有变化性的。(5)当意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)出现时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及管网压力等工况自动进行切换，保证管道内部压力恒定。在出现故障时，执行故障处理应用，保证在紧急的情况下仍然可以供水。(6)水泵的电气控制柜上设有每台供水泵的启动、停止按钮及设备运行状态指示灯显示功能。控制柜应留有信号接口，能够把每台电机的运行信号、过载信号、运行电流、变频器频率、主管网压力返回控制室。压力设定由控制柜上的压力设定电位器完成。(7)使用变压变频设备和软启动装置进行调速，用变频泵和工频泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大的转动惯量的冲击，延长了设备的使用寿命。2.2.1水泵变频调速恒压供水系统构成变频恒压供水系统主要有含pid控制器的变频器、软启动器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，其系统构成的结构框图如图2.7所示。本设计中两个系统均为控制三台水泵电机，采用pid调节方法。三台水泵或两台水泵中只有一台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。根据管网压力自动控制另外两台或一台泵的启动，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行pid运算，运算结果送给变压变频装置控制其输出频率，调节水的流量，使供水管网的压力恒定。图2.7水泵变频调速恒压供水系统的结构图2.2.2水泵变频调速恒压供水系统的控制策略根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、变频器选型及相关电器，绘制系统硬件连接图。采用变频器的分级控制，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是水泵房总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入cpu运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的pid或pi功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号直接输入到变频器中，由变频器将其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调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。2.2.3两系统的主电路接线图两套系统的主电路图大致相同，控制电路图略有不同。其相应的图形见图2.4 中水提升泵系统主回路接线图(一控三)，图2.5工业补给水泵系统主回路接线图(一控二)。图2.4 中水提升泵系统主回路接线图(一控三)图2.4 中水提升泵系统工作原理电机有两种工作情况：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 变频运行时接通电源的控制接触器，km2、 km4 、km6 、km7、 km8 、km9分别为电动机m1、m2、m3 工频运行时接通电源的控制接触器。具体为：接触器km1闭合时， km3、 km5均为断开，电动机m1变频运行。当压力检测值低于压力给定值时，变频器的输出继电器闭合进而控制接触器km2闭合，使得电动机m2 工频软启动开始，软启动结束后接触器km8闭合且km4断开，使得电动机m2 全压工频运行。如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备用泵频繁启动。当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。当启动1台工频备用泵仍不满足系统用水要求是再启动另外一台工频备用泵，以满足系统用水要求。第二台工频泵的起动原理与第一台工频泵的启动原理相同。同时变频器要求在电动机m1 、m2 、m3中定时循环切换，且一周切换一次。图2.5工业补给水泵系统主回路接线图(一控二)图2.5工业补给水泵系统工作原理电机有两种工作情况：在工频电下运行和在变频电下运行。km1、 km3、分别为电动机m1 、m2 变频运行时接通电源的控制接触器，km2、 km4 、km6 、km7分别为电动机m1、m2工频运行时接通电源的控制接触器。具体为：接触器km1闭合时， km3断开，电动机m1变频运行。当压力检测值低于压力给定值时，变频器的输出继电器闭合进而控制接触器km4闭合，使得电动机m2 工频软启动开始，软启动结束后接触器km8闭合且km4断开，使得电动机m2 全压工频运行。如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备用泵频繁启动。当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。第三台大泵则完全手动软启动控制。详细的软启动过程分析请参见下文中软启动器控制系统的过程分析。2.2.4软启动器控制系统的过程分析（1） 一台软启动器控制一台电动机的软启动、软停车或自由停车控制线路如图3.5所示型号为y2-280s-4的电动机利用软启动器启动的控制线路图。图中实线框所示为软启动器，其中c和400为软启动器控制电源进线端子；l1、l2、l3为软启动器供电电源的进线端子；t1、t2、t3为连接电动机的出线端子。a1、a2，b1、b2，c1、c2端子由软启动器三相晶闸管两端分别直接引出，当相对应端子短接时，等价于将软启动器内部可控硅晶闸管短接，但现在软启动器内部的电流检测环节仍起作用，即此时软启动器对电动机保护功能仍起作用。pl是软启动器为外部逻辑输人提供的+24v电源；l+为软启动器逻辑输出部分的外接输入电源，在图中由pl直接提供。stop、run分别为软停车和软启动控制信号，接线方式分为：三线制控制、二线制控制和通信远程制控制。三线制控制，要求输入信号为脉冲输入型；二线制控制，要求输入信号为电平输入型；通信远程控制时，将pl与stop端子短接，启停要使用通信口远程控制。图3.5所示控制线路为三线制控制方式接线。kal和ka2为输出继电器。kal为可编程输出继电器，可设置成故障继电器或隔离继电器。若kal设置为故障继电器，则当软启动器控制电源上电时，kal闭合；当软启动器发生故障时，kal断开。若kal设置为隔离继电器，则当软启动器接收到启动信号时，kal闭合；当软启动器软停车结束时，或软启动器在自由停车模式下接收到停车信号时，或在运行过程中出现故障时，kal断开。ka2为启动结束继电器，当软启动器完成启动过程后，ka2闭合；当软启动器接收到停车信号或出现故障时，ka2断开。如图3.5所示为电动机单向运行、软启动、软停车或自由停车控制线路。kal设置为隔离继电器。此软启动器接有进线接触器kml。当低压断路器qf合闸，按下启动按钮sb2，软启动器接受到启动信号，则kal触点闭合，kml线圈上电，使其主触点闭合，主电源加入软启动器。电动机按设定的启动方式启动，当启动完成后，内部继电器ka2常开触点闭合，km2接触器线圈吸合，电动机通过接触器由电网直接供电。但此时电动机需要加过载、缺相等保护，所以需要加热继电器。若发生过载、过流，则切断接触器kml电源，则软启动器进线电源切除。因此电动机不需要额外增加过载保护电路。正常停车时，按停车按钮sbl，停止指令使ka2触点断开，旁路接触器km2跳闸，使电机软停车，软停车结束后，kal触点断开。按钮sb3为紧急停车用，当按下sb3时，接触器kml失电，软启动器内部的kal和ka2触点复位，使km2失电，电机自由停转。由于带有旁路接触器，该电路有如下优点：在电动机运行时可以避免软启动器产生的谐波；软启动器仅在启动和停车时工作，可以避免长期运行使晶闸管发热，延长了使用寿命。图3.5电动机单向运行、软启动、软停车或自由停车控制线路（2） 单台软启动器启动多台电动机我们用一台软启动器对多台电动机进行软启动，可以降低控制系统的投入成本。通过设计适当的电路可以实现对多台电动机软启动、软停车控制，但不能同时启动或停机多台电机，只能一台一台的分别启动或停机。在这里考虑到要想实现一台软启动器对多台电动机既能软启动又能软停车，其设计的控制线路相对较复杂一些，而且还要使用软启动器内部的一些特殊功能，所以下面仅介绍使用一台软启动器对2台电动机进行软启动、自由停车控制的电路，如图3.6所示。软启动器的启动、停止采用二线制控制方式，即将run和stop端子连接到一起，通过一控制触点ka5与pl端子相连。ka5触点接通表示启动信号，断开表示停车信号。由于电动机启动结束后，由旁路接触器为电动机供电，图3.6中主电路的接线方式是将整个软启动器及其连在其上的接触器短接，因此软启动器的各种保护对电动机不起作用，故软启动器的旁路接线中每台电动机还要增加过载保护的热继电器。图3.6一台软启动器对2台电动机进行软启动、自由停车的主电路图工作原理如下：将kal设置为隔离继电器。在图3.7控制电路中，闭合断路器qf2，软启动器的进线电源上电。若启动第一台电动机m1，按下sb1按钮，接触器km2线圈通电、中间继电器ka5线圈通电、启动信号输入软启动器；隔离继电器kal触点接通、中间继电器ka3线圈通电，ka3常开触点闭合使触点km2自锁，电动机软启动开始。当启动结束时，软启动器的启动结束继电器ka2触点闭合，中间继电器ka4线圈通电，ka4常开触点闭合使旁路接触器km7线圈通电并自锁，此时km2和km7均接通。软启动器旁路后，使输出继电器kal触点断开、ka3线圈断电，ka3触点断开使接触器km2线圈自锁回路断开，使得电动机从软启动器上切除，启动结束后输出继电器ka2触点也断开，中间继电器ka4线圈断电，但此时接触器km7线圈支路自锁，电动机直接由电网供电。同理，若对第二台电动机软启动；则按启动按钮sb2。若使第一台电动机停机，按停止按钮sbs1，则km2线圈失电，主触点断开，电动机自由停机。第二台电动机的启动与停止控制过程分析与上述类似，不再复述。为防止软启动器带两台电动机同时启动，km2和km4线圈回路增加有互锁触点。图3.7一台软启动器对2台电动机进行软启动、自由停车的控制电路图第三章 系统硬件的设计3.1变频控制柜的组成变频控制柜通常由供电母线、双电源开关、断路器、接触器、开关电源、控制装置（变频器）、软启动器、传感器，以及低压电器等组成。低压电器指电压在1200v以下的各种控制设备及保护设备等。常用的低压电器设备有刀开关、熔断器、低压断路器、各种继电器等。考虑到机械强度的要求，选出的导线应有最小截面的限制，一般情况主干线铝芯不小于35 mm，铜芯不小于25 mm；支线铝芯不小于25 mm，铜芯不小于16 mm。中水提升泵系统选择变频器的进线电缆的截面积70.0mm的铜芯聚氯乙烯绝缘电缆227 iec 01(bv)。工业补给水泵系统选择变频器的进线电缆的截面积25.0mm的铜芯聚氯乙烯绝缘电缆227 iec 01(bv)。两个变频柜的控制电路均选择1 mm棉纱编织聚氯乙烯绝缘软线bvr。变频器的安装方式和空间 变频器必须垂直安装，保证空间需满足散热冷却的要求，变频器上，下部空间最小尺寸应不小于300mm，其间不允许安装其他器件，以免影响进风和排风。变频器的安装高度 变频器建议安装在柜体的上半部，好处是操作键盘的高度位置比较方便人操作或观察；变频器顶部空间由于热量集中排出，也不适合安装其他设备，所以从节省空间的角度出发，这种安排比较合理。但要求柜体顶部散热孔对准变频器通风道，下部的进风口位于变频器底部，以保持风道最小的风阻。当需要将变频器上下布置时，应在变频器之间安装隔板，并形成各自独立的风道，防止下方变频器的出风成为上方变频器的进风，影响整体的散热效果。 配电柜内设备的冷却可考虑采用在变频器散热器外加强迫水暖，水冷或强迫油循环等方法，以隔绝腐蚀性气体。系统的抗干扰措施1.合理布线：1）其它设备的电源线和信号线应尽量地远离变频器的输入输出线2）其它设备的电源线和信号线应尽量不与变频器的输入输出线平行。3）其它设备的电源线和信号线应尽量使用屏蔽线。（屏蔽层要可靠接地）2.采用电抗器或者滤波器（但一般不建议在变频调速系统中使用滤波器）。3.在变频器的供电电源上使用隔离变压器。3.2 变频器3.2.1变频器的构成通常由变频器主电路（igbt、bjt、或gto作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等图3.1 变频器的构成3.2.2变频器的主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图3.5所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。 整流器最近大量使用的是二极管的交流器，图3.5所示，它把工频电源变换为直流电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 逆变器同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据pwm控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。 制动回路异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。3.2典型的电压型逆变器主电路原理图3.2.3变频器的控制电路给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.4所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。在图3.4点划线内，仅以控制电路a部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路b部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。控制电路主要包括： 运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、功率。 电压/电流检测电路与主电路电位隔离，检测电压、电流等。 驱动电路为驱动主电路 器件的电路。它使主电路器件导通、关断。 速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。保护回路主要包括：逆变器保护1）瞬时过电压保护。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。2）过载保护。逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。过负载是由于负载的gd2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。3）再生过电压保护。采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。4）瞬时停电保护。对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。5）接地过电流保护。逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。6）冷却风机异常。有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。异步电动机的保护1）过载保护。过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。2）超频（超速）保护。逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。（3）其他保护1）防止失速过电流。急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。2）防止失速再生过电压。减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。3.2.4变频器的特点与比较三菱变频器fra740的特点（1） 通过m旋钮来调整频率和设定参数，是操作更加简单。（2） 工频变频切换功能。（3） 适合风机、泵类负载使用。（4） 长寿命设计，维护简单，用起来更安心。（5） 内置emc滤波器，可有效地抑制电磁噪声，不需要外部配置，节省安装空间。（6） 具有远程输出、简单磁通矢量控制功能等丰富功能。（7） 具有强大的网络通信功能，内置usb通信接口，方便连接fr-configurator变频器设置软件。除内置的基本rs485通信方式外，通过选用各种总线适配器，可连接profibus-dp、devicenet、lonworks，高效、快速地实现设备网络化。西门子micromaster 430的特点西门子micromaster 430是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从 7.5kw 到250kw，可供用户选用。 在采用变频器的出厂设定功能和缺省设定值时，micromaster 430变频器特别适合用于水泵和风机的驱动。 本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（igbt）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动自动切换、断带及缺水检测、节能运行方式等。主要特性：（ 380480）v10%，三相，交流，7.5kw250kw；风机和泵类变转矩负载专用；牢固的emc（电磁兼容）设计；控制信号的快速响应。控制功能：线性 v / f 控制 ，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（fcc）；多点 v/f 控制特性；快速电流限制（fcl）功能，避免运行中不应有的跳闸；起始和结束段带平滑圆弧；积分和微分（pid）控制功能的闭环控制 。数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；具有15个固定的频率，4个跳转频率，可编程；采用bico（二进制互联连接）技术，实现i/o端口自由连接；集成rs485通讯