冷冻站盐水泵变频调速系统电气工程及其自动化专业毕业设计毕业论文.doc

本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 冷冻站盐水泵变频调速系统 FROZEN STATION SALT WATER PUMP FREQUENCY CONVERSION GOVERNOR SYSTEM 学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级：电气工程及其自动化 学生姓名： 指导教师： 年 月 日 安徽理工大学毕业设计 I 冷冻站盐水泵变频调速系统 摘要 近年来，交流调速发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位， 交流拖动已经进入了与直流拖动相媲美、相抗衡的时代。本论文结合我国煤矿冻结站 的现状，并利用在校期间掌握的专业技能，设计了一套利用 PLC 变频调速器以传感器 为基础的水泵流量闭环调速系统。变频调速技术是一项综合现代电气技术和计算机控 制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。变频调速技术用于水泵控制系 统，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大力提倡节约能 源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能 装置，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。可以说变频调速技术是 一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术。依靠现代化技术手段对生产过程进行控 制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然 趋势由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软 启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长 周期运行。变频器调节流量闭环控制：通过供水管道上的远传流量计，输出 0-20mA 模 拟量信号送入 PLC，在通过 A/D 转换，执行 PID 程序，D/A 转换后，输出控制信号给 变频器，来自动调节变频器的输出频率，来自动调节变频器的输出频率，从而改变拖 动水泵的电动机的转速，达到调节流量的作用。交流变频调速是交流电动机调速方法 中最优的方案，采用变频器对盐水泵机械进行调速来调节流量的方法，对节约电能， 提高经济效益具有重要意义。 在文章中，我们研究了采用可编程控制器控制的变频器对盐水泵进行调速所产生 的节能减排效益，重点提到了冻结站盐水泵变频节能系统的硬件组成及软件设计。还 提到了对于电动机、变频器、PLC 的结构和型号选择等相关方面。 关键词：冻结站，变频器，盐水泵，变频器，节能，闭环调速关键词：冻结站，变频器，盐水泵，变频器，节能，闭环调速 安徽理工大学毕业设计 II COAL FREEZE STATION SALT WATER PUMPING FREQUENCY GOVERNORSYSTEM ABSTRACTABSTRACT In recent years, the development of AC variable speed very quickly, breaking the dominance of the DC drive speed field, AC Drive has entered the era of comparable DC drive, to compete. This paper combines the status quo of Chinas coal mines to freeze the station, and the use of professional skills mastered during the school pump flow design a PLC frequency control sensor- based closed-loop speed control system Frequency control technology is a modern integrated electrical and computer control of advanced technology, widely used in the field of pump energy efficiency and constant pressure water supply.Frequency control technology for the pump control system with speed performance, significant energy saving effect, run the process safe and reliable advantages. Vigorously promote energy conservation, promote the use of this set of modern and advanced power electronics technology and computer technology in one high-tech energy-saving devices for raising labor productivity, reduce energy consumption is of great practical significance. It can be said that the frequency conversion technology is a country wide application prospects of high-tech. Inverter performance has been greatly enhanced due to the rapid development of electronic technology, it can achieve a soft start soft stop control equipment, not only can reduce equipment failure rates, can also significantly reduce power consumption, and ensure system security, stability, long-term operation。Inverter regulate the flow of closed-loop control: Far EasTone flow meter on the water supply pipes, into the inverter output 0-20mA analog signal to automatically adjust the inverter output frequency, thus changing the drag pump motor speed and reach adjustmentthe role of the flow. AC variable speed AC motor speed control method of the optimal solution, the inverter is used for salt water pump mechanical governor to regulate the flow, save energy, improve economic efficiency. 安徽理工大学毕业设计 III In the article, we study the brine pump speed generated by the programmable controller to control the inverter energy saving benefits, highlighted the freeze Station salt water pump frequency energy system hardware and software design. Also referred to the relevant aspects of the motor, inverter, PLC, structure and model selection. KEYWORDS: freezing station, inverter，salt water pumps， frequency converter， energy-saving， closed-loop speed 安徽理工大学毕业设计 i 目录 摘要（中文）.I 摘要（外文）II 1 绪论1 1.1 引言.1 1.2 煤矿冻结法凿井简介.1 1.3 冻结施工存在的问题.3 1.4 国内外交流变频技术的发展.3 1.5 研究背景及变频改造的意义.4 2 变频调速在水泵中的研究6 2.1 变频调速在水泵中的主要调节方式.6 2.2 水泵变频调速和其他方法的节能对比.6 2.2.1 调节水泵流量的两种方法.6 2.2.2 转速控制法和传统方法的比较.7 2.3 变频器原理.8 2.3.1 交流变频器的工作原理.8 2.3.2 变频器的控制方式.9 2.4 盐水泵变频调速的优点.10 2.5 盐水泵变频调速系统的总体设计.10 3 变频技术在冻结站盐水泵应用中的硬件分析和系统说明12 3.1 盐水泵的选型介绍.12 3.1.1 离心泵的分类.12 3.1.2 离心泵的命名方式.12 3.1.3 泵的性能介绍.12 3.1.4 14Sh-9A 型水泵介绍13 3.2 异步电动机的选型介绍.13 3.2.1 三相电动机的转动原理.13 3.2.2 三相异步电动机的选型依据.14 3.3 变频器选型.14 3.3.1 变频器的各种分类.14 3.3.2 变频器的基本结构框图.15 3.3.3 交-直-交变频器主电路16 3.3.4 变频器的参数介绍.17 3.3.5 变频器的选型及硬件配置.18 安徽理工大学毕业设计 ii 3.4 可编程控制器（PLC）.19 3.4.1 可编程控制器的作用.19 3.4.2 可编程控制器的特点.20 3.4.3 PLC 的基本结构框图.21 3.4.4 S7-200 系统概述.22 3.5 电磁流量传感器.23 3.6 冷冻站盐水泵变频调速系统的结构图.24 3.6.1 结构图说明.24 3.6.2 PLC 外部接线图.25 3.6.3 变频/工频切换电路 .27 4 系统软件介绍29 4.1 闭环控制与 PID 控制29 4.1.1 模拟量闭环控制的组成.29 4.1.2 变送器的选择.29 4.1.3 闭环控制反馈极性的确定.30 4.2 PID 控制的特点与原理30 4.2.1 PID 控制器参数的调节31 4.3 系统流程图.32 结论.35 参考文献.36 致谢.37 安徽理工大学毕业设计 1 1 绪论 1.1 引言 煤矿冻结法凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的，其工艺过程包括冻结站 安装；钻孔施工；井筒冻结核井筒掘砌四大内容，其凿井是属高耗能技术，冻结过程 中要耗费大量的电能及水资源，长期以来，由于人们在设计、操作中忽视了节能问题， 仅仅在电能发面的浪费就相当严重。调查发现，如果在设计、运行中采取有效的措施， 平均可节电 40%以上。某些传统的设计方法、设计模型及设计参数不符合现场实际， 是造成冻结站耗电严重的原因之一，所以冻结站的节能问题已成为当前不如忽视的大 问题。 冻结法凿井是一种理论上和实践上都比较成熟的特殊施工方法。世界主要产煤国 家都把冻结法作为在身后冲积岩层和特大含水基岩中施工的一种安全、可靠、经济的 方法加以推广。 冻结站三大循环系统中的水泵和压缩机的驱动设备都是三相异步电动机，对系统 的控制实际上就是对电动机的控制。但目前各冻结施工单位根据冻结需要调节盐水流 量时，仅对阀门开度进行调节，水泵拖动电机仍处于恒转速运转状态。另外，许多生 产单位在进行系统设计时，容量选择较大，系统匹配不合理，造成了大量的能源浪费。 因此，搞好盐水泵的节能工作，对节能减排据有十分重要的意义。 随着电力电子技术和大规模集成电路发展，变频器原来越多的被用于生产和生活 当中。采用变频器直接控制风机、泵类负载成为了一种最科学的控制方法，利用变频 器内置 PID 调节软件，直接调节电动机的转速保持恒定的风压、风量，从而满足系统 要求的压力和风量。当电机在额定转速的 80运行时，理论上其消耗的功率为额定功 率的 51。2，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响，节能效率也接近 40，同时也 可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大的电动机的软 停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降 低了对电网的容量要求和无功损耗。因此，大力推广变频调速节能技术，不仅是当前 煤矿节能降耗的重要技术手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。 变频调速在当代社会具有重要的意义，主要体现在以下几点， （1）它采用变频器 控制电动机的转速，取消挡板调节，降低了设备的故障率，有显著的节能效果。 （2） 实现了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击。(3)电机将在低 于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响；(4)具有过载、过压、过流、欠 压、电源缺相等自动保护功能及声光报警功能； 1.2 煤矿冻结法凿井简介 安徽理工大学毕业设计 2 冻结法是在各种不稳定的松散含水层或含水丰富的岩层中，采用人工制冷的方法， 将不稳定的地层暂时变为稳定的地层，以利于地下下工程的施工。 冻结凿井分为钻冻结孔、形成冻结壁和井筒掘砌三大工序。 首先在井筒周围打一 定数量的冻结孔，孔内安装冻结器，冻结器由带有底锥的冻结管和底部开口的供液管 所组成。冷冻站的低温盐水（-30左右）经去路盐水干管、配液圈到供液管底部，沿 冻结管和供液管之间的环形空间上升到集液圈、回路盐水干管至冷冻站的盐水箱，形 成盐水循环。低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周 围岩层冻结，逐渐扩展连成封闭的冻结圆筒（冻结壁） 。随着盐水循环的进行，冻结壁 厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止（积极冻结） 。然后进行井筒的开挖和衬 砌。在掘砌期间进行维护冻结（消极冻结） ，直至井筒永久结构完成停止冻结，煤矿冻 结施工系统结构如图 1 所示。冻结法被应用在各种不稳定的松散含水层（如流砂层） ， 以及含水丰富的裂隙岩层（或破碎带）的地下施工中，但是当地下水含盐量较高或流 速较大（流速1710-3m/s）时不宜采用 1883 年德国工程师 FHPoetsch 在德国阿尔巴里矿，用冻结法开凿了深度为 103m 的井筒，获得了冻结法凿井的专利，之后该项技术传播到世界上许多国家。1955 年，我国用冻结法开凿了开滦林西风井，井筒净直径 5m 冻结深度 105m，此后我国科 技人员开始了冻结法凿井技术的研究。近 50 年，取得了丰硕的研究成果，总共建了 430 余项冻结工程，包括 20 世纪 80 年代最大冻深 415m 的淮南潘三东风井和 90 年代 最大冻深 435m 的河南永夏矿区陈四楼副井。目前冻结法凿井所通过的最厚表土层为山 东济西矿副井为 458.5m，冻结深度 488m 我国冻结法凿井技术已跨人世界先进行列。 国外在煤矿中冻结深度最深的是波兰的卢布林 l 号井副井，成井 6.0m，冻结深度 725m。冻结不稳定的第三系和第四系地层，具有代表性的是德国的 SophiaJacba 8 号井， 冻结深度 558m。冻结基岩与砂层、粘土互层，具有代表性的是前苏联的雅科夫铁矿 2 号井，冻结深度 620m；近十年来，我国冻结凿井技术发展很快，打钻、冻结、掘砌设 备和施工过程检测控制技术有较大的发展，基础理论也得到了不断的提高，基本上解 决了 500m 深以内的冲积层凿井问题。 冻结法的施工顺序是在井筒周围钻若干冻结孔，孔内安装由供液管、回液管和底 端封闭的冻结管组成的冻结器；地面冷冻站将制出的低温媒剂循环输送到冻结器内， 吸收地层的热量，使含水层形成以冻结管为中心的冻结圆柱，逐渐扩大与相邻的冻结 圆柱连成封闭的冻结壁。冻结壁达设计厚度后，即可进行井筒掘砌作业，直到顺利穿 过不稳定地层为止。从冻结开始到冻结壁达到设计厚度的时间，称积极冻结期。掘砌 时期须部分供冷，维护冻结壁，称为维护冻结期或消极冻结期。掘砌工作完成后，拆 除冷冻站，拔出冻结管，充填冻结孔，冻结壁自然解冻，恢复地层初始状态。冻结法 建井施工系统由氨循环系统、盐水循环系统、清水循环系统三大系统组成。氨循环系 安徽理工大学毕业设计 3 统流程：气态氨经低压螺杆压缩机压缩一冷却器降温(防止进入高压螺杆压缩机时温度 过高)一高压螺杆压缩机继续增压一冷凝器(气态氨变成液态氨)一热虹吸储液器一低压 调节站一汽化器(液态氨变成气态氨吸收热量使盐水降温)一气态氨被吸回低压螺杆机 (完成个循环)。盐水循环系统流程：盐水在盐水池中经过(液态氨变成气态氨吸收热 量使盐水降温)降温，通过离心泵送入盐水管路，进入地沟槽的盐水分配器。分配给各 个分盐水管路。循环上来以后进入盐水集中器，经盐水回路回到盐水池,再通过(液态氨 变成气态氨吸收热量使盐水降温)完成一个循环。低温盐水在冻结管中沿环形空间流动 时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐渐扩展连成封闭的冻结圆筒(冻结壁)。 1.3 冻结施工存在的问题 一方面由于冻结施工工程中对盐水流量的控制通常根据以往的施工经验和测温孔、 冻结器的温度数据进行控制的，温度场数据与盐水流量的控制并没有很好的进行结合， 使的温度数据分析的结果不能完全反映实际冻结壁的情况，而且每隔一段时间分析的 数据结果对流量、温度的控制并没有起到很大的作用，数据的利用率很低，没有实现 温度场分析与流量、温度控制相结合的真正意义上的数字化施工。另一方面冻结制冷 系统一旦启动就要运行到井筒永久结构完成才能停止，盐水循环系统的正常运行直接 影响到整个冻结工程的质量。目前的盐水循环系统都是采用三相异步电动机拖动离心 式水泵带动整个管路中的盐水进行循环。通常，现场所选离心泵的流量、扬程可能会 和管路中要求的不一致，由于泵选型时留有裕量，甚至泵的额定参数超过工艺参数的 一倍以上。而实际工艺操作常有变动，即要根据情况调节盐水管路中的盐水流量，调 节过的泵的实际操作参数偏离其额定参数时，泵的工作效率将大大降低，而目前各个 冻结站调节流量的减小往往都是通过关小泵出口阀来实现，这样阀门处阻力加大，水 力损失也随之增大，不但缩短了泵的有效寿命也必然降低泵的总效率，由此而引起的 电能损失也是相当可观。 1.4 国内外交流变频技术的发展 变频技术方面，目前国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化和系统可靠 性等方面仍与国外水平有不小的差距这种电机在抽水蓄能电站机、大容量风机、压 缩机、轧机传动、矿井卷扬方面都有很大的应用价值，且需求量很大。中小型功率变 频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的 V/F 控制，只有少量的样机采用矢量控 制，生产数量及技术性能方面远不能满足市场需要，目前还需要大量的进口设备。总 结电气传动控制系统关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，来 实现电能和机械能的转换，以达到优质、高产、低耗等目的电气传动分成不可调速 和可调速两大类，可调速方式又可细分为直流调速和交流调速两种方式。不可调速的 安徽理工大学毕业设计 4 电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展，这类原本不可调速的机械越来 越多地由可调速的传动装置来代替，以节约电能，降低能耗在我国大约 60的发电 量都是由电动机消耗的，因此发展可调速的电气传动技术，提高其生产应用平是非常 重要的，目前在该方面的技术已经有了一定的规模。从总体上看我国的电气传动技术 水平较国际先进水平相差 l0-15 年在我国，电气传动产业始建于 1954 年，当时在机 械工业部门的部属下建立了我国第一个电气传动公司，第一批相关专业的毕业生参与 其中，这就是后来的天津电气传动设计研究所。到现在，我国已有 200 多家公司、工 厂和研究所从事变频调速技术的工作。 我国还是一个发展中国家，目前自主研发生产的变频调速产品只相当于一些西方 国家 80 年代的水平。改革开放以来，很多国内的企业与许多外国公司进行贸易往来， 进口一些最先进的产品来满足了我国的生产和生活需要目前，国内许多合资公司结 合当前先进技术生产当今国际上先进的产品，并自己开发应用软件，为国内外重大工 程项目提供一流的电气传动控制系统取得了很大的进步对于大功率交流无换向器电 机的起来，目前国内交流变频调速技术的发展状况主要表现为：(1)整机技术落后，没 有形成一定的生产规模；(2)产销量很少，且产品的可靠性和工艺水平都不高；(3)相关 配套产业落后，特别是变频器产品所用的半导体功率器件的制造业还几乎处于空白阶 段 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： (1)市场需求量大。随着全球性的能源短缺和工业自动化程度的不断提高，变频器 及变频调速技术的应用越来越广泛，主要应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食 品等各个行业。另外，在与风机、水泵相关的节能系统中，也被广泛的应用。均取得 显著的经济效益 (2)大功率变频器件得到迅猛的发展近年来，随着高电压、大电流的 SCR、GTO、IGBT、IGCT 等器件的生产和并联、串联技术的发展应用，使大功率变 频器产品的生产及应用成为现实，并得到广泛应用。 (3)矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论的发展为变频器的 高性能发展提供了很好的理论基础：同时，16 位、32 位高速微处理器、数字信号处理 (DSP)、专用集成电路(ASIC)水泵调速的意义：工矿供水工况随工艺要求而变化，城市 供水随着昼夜及季节的变化、供水量的变化而变化，为了保证母管压力稳定，满足供 水需要，常采用开停水泵或调节泵出口阀门开度的控制方法。 1.5 研究背景及变频改造的意义 目前，在电力改革不断深化、大力提倡建立节约型社会的政策环境下，应用高新 技术节能降耗，降低厂用电率和发电成本，成为各电厂的当务之急。火电厂的各种动 安徽理工大学毕业设计 5 力设备中，泵与风机类负载的耗能占绝大部分。电厂调峰时，传统调节方式通过改变 调节阀和挡板的开度来调整通过泵与风机的工质流量。而泵与风机的输出功率几乎不 变，加之设计富余量较大，浪费了大量电能，同时使设备运行效率不高。若采用高压 变频调速则可保持调节阀与挡板全开，通过降低泵与风机的转速来减小流量，从而减 小了节流损失，节约了大量电能。近年来，随着电力电子技术的飞速发展，高压变频 技术日趋成熟，可靠性和性价比得到大幅提高。变频调速技术是一项综合现代电气技 术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。变频调速技术用 于水泵控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大 力提倡节约能源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体 的高科技节能装置，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。可以说变 频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术。依靠现代化技术手段对生 产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技 术发展的必然趋势。交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。由于电 子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不 仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行 今后主要研究的开发项目主要有以下几项：(1)数字控制的大功率交一交变频器供 电的传动设备。(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大 型风(3)电压型 GTO 逆变器在铁路机车上的推广应用。(4)电压型 IGBT、IGCT 逆变器 供电的传动设备扩大功能，改善性能。如 4 象限运行，带有电机参数自测量与自设定 和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。(5)风机和泵 用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后可节约大量电力。 特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法 是当今重大课题机和泵上的推广应用。 安徽理工大学毕业设计 6 2 变频调速在水泵中的研究 2.1 变频调速在水泵中的主要调节方式 据统计，全国泵类配套电动机的耗电量相当于全国电力消耗总量的 1/5。但是水泵 的运行效率很低，有的甚至仅有 30，能量浪费十分严重。因此，泵行业中采用有效 的节能技术是当务之急。 水泵的节能主要有以下几个方法：通过改进配套电机的设计，使电机在大的范围 内有较高的效率；通过对水泵的结构设计和制造性能的改进，提高水泵的性能；水泵、 配套电机的正确选型和合理使用。节能调节的方法有：非变调节和变速调节，非变速 调节包括节流调节和水泵的运行台数调节等。大量的统计调查表明，一些在运行中需 要改变工况而要求进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，通常是由于采用了不合 适的调节方式。可见，水泵的调节方式与节能的关系非常密切。通过分析水泵运行工 况改变时的节能原理和两种节能调节的方法产生的效果证明，变频调速节能方法节能 效益可观，是有效的减少能量消耗的方法。近年来，真正的“水泵智能控制系统”不再 是“变频器”控制技术的演变。在有效利用变频器的同时，水泵节电控制技术还加入了 PLC、滤波等。 2.2 水泵变频调速和其他方法的节能对比 2.2.1 调节水泵流量的两种方法 常见的调节流量方法有阀门控制法和转速控制法两种。 （1）阀门控制法：即通过关小或开大阀门来调节流量，而电动机转速保持不变(通 常为额定转速)。其实质是：水泵本身的供水能力不变，通过改变水路中的阻力大小来 改变供水能力，以适应用户对流量的需求。图 2-l 为不同调节流量方法的特性曲线。设 用户所需的流量从 QA减小到 QB，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将变为曲线 ，而扬程特性则仍为曲线，系统工作点由 A 点移至 B 点。这时流量减小了，但扬 程却从 HTA增大到 HTB。根据供水功率 PG与流量 Q 和扬程 H 的乘积成正比的关系，即 PG=CPHQ (CP为比例常数)，可知此时供水功率 PG与面积 OEBF 成正比。我们在国投新 集口孜东煤矿风井冻结使用三相电压、电流、功率测试仪对盐水泵电动机的工作状态 进行了检测，发现盐水泵出口阀门处于不同位置时，电动机的工作电压、电流、功率 基本上没有变化。这说明使用阀门调节流量时，电动机消耗的功率基本是不变的。可 见，当冻结所需的流量远小于盐水泵的设计流量时，供液管路中浪费的能量是非常惊 人的。 （2）转速控制法：即通过改变水泵拖动电机的转速来调节流量，阀门开度保持不变。 安徽理工大学毕业设计 7 转速控制法的实质是，通过改变水泵的全扬程来适应用户对流量的需求。当转速改变 时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。以用户所需的流量从 QA减小为 QB为 例。当转速下降时，扬程特性变为曲线，管阻特性则仍为曲线，工作点由 A 点移 至 C 点。在流量减小为 QB的同时，扬 HTC；此时，供水功率 PG与面积 OECH 成正比。 2.2.2 转速控制法和传统方法的比较 (1)供水功率的比较 比较上述两种调节流量的方法可以看出：在所需流量小于额定流量的情况下，转 速控制时的扬程比阀门控制时的小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门 控制方式小得多，两者之差便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积 G p HCBF(图 2-l 中的阴影部分)成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本方 面。 (2)从水泵的工作效率看节能 水泵的供水功率 PG与轴功率 PP之比，即为水泵的工作效率，即 P （2-1） P G p P P 这里，水泵的轴功率 PP是指水泵轴上的输入功率(即电动机的输出功率)，或者是 水泵取用的功率。而水泵的供水功率 PP是根据实际供水扬程和流量算得的功率，是供 水系统的输出功率。因此，上述水泵的工作效率实际上包含了水泵本身的效率和供 P 水系统的效率。水泵工作效率相对值的近似计算公式为： . （2-2） 2 21 )()( n Q C n Q C H TB H TA H TC H B Q A Q A A B B C C ED 杨 程 特 性 管阻特性 G P 图图 2-12-1 不同调节流量的特性曲线不同调节流量的特性曲线 安徽理工大学毕业设计 8 式中：和分别为流量和转速的相对值(即实际值与额定值之比的百分数)； Q n C1和 C2为常数，由制造厂家提供。C1与 C2之间通常遵循如下规律：C1-C2 =1；由式 （2-3）表明水泵的工作效率主要取决于流量与转速之比。由式(2-3)可知，当通过关小 阀门来减小流量时由于转速不变， （2-Qn Q * 3） 其效率曲线如图 2-2 中的曲线所示。当流量=60时，其效率将降为 80%(由 Q B 点决定)。可见，随着流量的减小，水泵工作效率的降低是十分显著的。而在转速控 制方式下，由于在阀门开度不变的情况下，流量和转速 是成正比的，比值不变， Q n 其效率曲线因转速而变化，转速为 60nN(nN为额定转速)时的效率曲线如图 2。当流 量=60时，效率由 C 点决定，它和=100时的效率(由 A 点决定)是相等的。可 Q Q 见，采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态。所以，转速控制方式 与阀门控制方式相比，水泵的工作效率要大得多，这是变频调速供水系统具有节能效 果的第 2 个方面。 (3)从电动机的效率看节能 厂家在生产水泵时，由于对用户的管路情况无法预测，管阻特性难以准确计算， 必须对用户的需求留有足够的余地。因此，在确定额定扬程和额定流量时，通常留有 较大的裕量，所选电动机的裕量也较大。所以，在实际运行中，即使在盐水流量的高 峰期，电动机也常常不是处于满载状态，其效率和功率因数都较低。采用转速控制方 式，可将排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机低频运行时，变频器的输出电 压将下降，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的第 3 个方面。综合起来。水泵的轴功率与流量问的关系如图 2-3 所示。图中，曲线是调 节阀门开度时的功率曲线；当流量=60时，所消耗的功率由 B 点决定。曲线是 Q 调节转速时的功率曲线；当=60时，所消耗的功率由 C 点决定。由图 3 可看出， Q 1.0 0.8 0 0.6 1 A C B 0.1n*6.0n* 图图 2-22-2 水泵的效率曲线水泵的效率曲线 安徽理工大学毕业设计 9 与调节阀门开度相比，调节转速所节约的功率P*E是相当可观的。 2.3 变频器原理 2.3.1 交流变频器的工作原理 交流变频器是现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电 力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出去的交流电的频率是 恒定不变的，在我国是每秒 50 周。而交流电的动机的同步转速为 (2-4) 1 1 60 f 式子中同步转速，n/min； 1 钉子频率，Hz； 1 f P电机的磁极对数。 而异步电动机的转速 (2-5)1 ( 60 )1 ( 1 1 s p f s 式子中 s异步电动机转差率，s=(N1-N)/N1，一般小于 3%。均与送入电机的电流 频率 f 成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便的改变电机的运行速度， 也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。 在电机运行时有： (2-6) mdp kfwU 1111 44 . 4 式中，一电机绕组匝数； 1 w 一基波绕组因数； dp k 一主磁通。 m 所以如果不变，则磁通随频率的改变而改变，一般电机在设计中为了充分 1 U m 1 f 利用铁心材料，都把磁通的数值设计在磁化曲线的膝点，因此，如果频率从额定值 m 下降，则会引起磁通的增加，随之使激磁电流急剧上升，功率因数下降；反之，若频 率升高，则会下降，电机允许的输出转矩降低，电机得不到充分利用。所以在调频 m 的同时还要调压, 应使，成比例地改变，即： 1 U 1 f (2-7)Hkw f U mdp 1 1 1 44 . 4 保持不变。 2.3.2 变频器的控制方式 安徽理工大学毕业设计 10 本设计采用 SAMCO-VMO5-SPF 系列变频器，变频的工作方式采用恒压频比的控 制方式：异步电动机的转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源频率，就可进行 电动机的调速，及时进行宽范围的调速运行，也能够获得足够的转矩。为了不使电动 机因平率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变 频器的电压和频率的比值进行控制，是该比率保持不变，即恒压频比控制，以保持气 隙磁通为额定值。普通功能的变频器采用这种控制方式，适用于调速要求不高的风机， 泵类场合。由于变频的同时都要按随着电压的变化。U/F 控制由于忽略了电机漏阻抗 的作用，在低频段的工作特性不理想。因而实际变频器中采用 E/F 控制。采用 E/F 控 制方式的变频器通常被称作普通功能变频器。 恒压频比控制是比较简单的控制方式，历史悠久，目前任然被大量采用，该方式 被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不 高的场合，例如利用通用变频器对风机、泵类进行调速已达到节能的目的。 2.4 盐水泵变频调速的优点 1、节能效果显著 水泵采用变频调速，其轴功率与转速的立方成正比，当转速降低时，驱动电动机 的电功率将以转速的立方减少，因而有显著的节能效果。 2、实用性强 采用变频调速，可以实现低速起动，使起动电流低于额定电流，避免起动力矩对 电机造成的冲击损伤，不仅延长了电动机的使用寿命，而且无震动、无噪音。 3、调速性能好，控制方式灵活 可以非常平滑的调整风量，便于运行人员对锅炉燃烧进行调整和控制。变频装置 具友好的控制方式，容易与控制系统配合实现协调控制和闭环控制，提高了控制精度， 使自动装置的可靠性大大提高。 4、调速范围大 变频装置具有一定的超速功能，在不超出电机额定出力的条件下，可使风机超速 2.5%，因而在机组满负荷下使水泵的水压明显提高，抽水速度明显提高。 2.5 盐水泵变频调速系统的总体设计 系统控制过程如图 2-3： 盐水泵变频节能系统由盐水泵、三相异步电动机、变频器、电磁流量传感器和 PLC 等部分组成，见图 2.4。其中盐水泵型号为 14Sh-9A，额定流量 1332000/2h，扬程 56m，功率 257kw，转速 1450r/min；拖动电机型号为 Y355L2-2，额定电压 380V，电 流 560A，功率 315kw。变频器型号为 SAMCO SPF-315KW，3 相，输入频率 50/60Hz，输入电压 380-460V，功率 315kW，电流 590A，内置标准 PID 反馈控制功能， 安徽理工大学毕业设计 11 带 RS-485 通讯接口。电磁流量计型号 ZJLDG-300S-M2F110-30(DN300)，额定量程 30000m/h，标准电流 4-20mA 输出,电源由 220V 交流供电或者是 24V 直流供电。由电 磁流量计监测盐水通过上位机对变频器的工作状态进行设定，以达管路中的实时流量 值，并将其转换成相应的 4-20mA 标准电流信号后，传送给变频器；变频器接收到信 号后，通过内置的比较器与预先设定的数值进行比较并求算出偏差信号，再通过 PID 环节转变为输出频率信号后，传送给变频器主电路，控制电机调节转速，以实现对流 量的闭环控制。利用通信总线，可以将变频器的运行状态以及实时流量信息传送给工 业控制计算机。并通过组态上位机显示，便于监视。现场操作人员也可通过上位机对 变频器的工作状态进行设定，以达到远程控制的目的。如果当变频器发生故障或检修 等原因不能运行时，可通过 PLC 的控制和变频工频切换电路直接启动电机。 可编程控制器 PLC 通讯模块 A/D转换 模块 D/A转换 模块 报警、控 制量输入 上位机PC 组态 故障、状 态量输入 流量传感 器 盐水泵 变频器 接触器 电源 接触器 电动机 软启动器 接触器 接触器 图图 2-32-3 盐水泵变频节能系统原理图盐水泵变频节能系统原理图 安徽理工大学毕业设计 12 3 变频技术在冻结站盐水泵应用中的硬件分析和系统说明 3.1 盐水泵的选型介绍 3.1.1 离心泵的分类 可按使用目的、介质种类、结构类型等进行分类。这里主要介绍按结结构型式作 如下分类： （1）按流体吸入叶轮的方式：单吸式泵 双吸式泵; （2）按级数分类：单极泵 多级泵; （3）按泵体形式分类：蜗壳泵 筒行泵; （4）按主轴安放情况分类：卧式泵 立式泵 斜式泵. 3.1.2 离心泵的命名方式 3.1.3 泵的性能介绍 流量是泵在单位时间内输送出去的液体量。单位是 s，用 qm表示质量，单位是 kg/s。 （3-qvqm 1） 式中 q 为液体的密度，常温清水。q=1000kg/m3 旋转叶轮传递给单位重量液体的能量，亦称理论杨程。考虑有限叶片数受滑移的 泵的类型，A或B或C分别表示叶轮外径经过 一、二、三次切割 多级泵的级数，若为单极泵，就不标出 新产品标出杨程数，有时在该值前标出流量， 两值前加以横线隔开。对多级泵标出的是单极 杨程，对老产品标出的是比转速n被10除后的 整数 汉语拼音标出泵的基本型式 泵的吸入口直径，新产品标出毫米数，老产 品标出英寸数 图图 3-13-1 离水泵的命名离水泵的命名 安徽理工大学毕业设计 13 影响，较无限多叶片数叶轮做功能力减小，在离心泵中常使用如下的经验公式计算 Ht。 本文中因应用需要我们选用 14Sh-9A 型水泵，在下面内容中将主要介绍。 斯托道拉公式 ： (3-2) g uctg u c H A r t 2 22 2 2 )1 ( 3.1.4 14Sh-9A 型水泵介绍 SH 型是单级双吸、卧式中开离心泵。供输送清水及物理化学性质类似于水的液体。 液体最高温度不得超过 80，适合工厂、矿山、城市、电站的给排水，农田排涝灌溉 和各种水利工程。泵体与泵盖构成叶轮的工作室。在进出水法兰上，制有安装真空 表和压力表的管螺孔。进出水法兰的下部，制有放水的管螺孔。 结构特点：本型泵的吸入口与吐出口均在水泵轴心线下方，与轴线垂直呈水平方 向，泵壳中开，检修时无需拆卸进水，排出管路及电动机（或其他原动机） ，从联轴器 向泵的方向看去，水泵为顺时针方向旋转。根据需要也可生产逆时针旋转的泵，但订 货时应特殊提出。泵体与泵盖构成叶轮的工作室，在进、出水法兰上制有安装真空表 和压力表的管螺孔。叶轮经过静平衡检验，用轴套和两侧的轴套螺母固定，其轴向位 置可以通过轴套螺母进行调整，叶轮的轴向力利用其叶片的对称布置达到平衡，可能 还有一些剩余轴向力则由轴端的轴承承受。 本型泵的吸人口与吐出口均在水泵轴心线下方，水平方向与轴线成垂直位置、泵 壳中开，检修时无需拆卸进水，排出管路及电动机(或其他原动机)从联轴器向泵的方向 看去，水泵均为逆时针方向旋转。如根据用户特殊订货需要也可改为顺时针旋转。本 型泵的主要零件有：泵体、泵盖、叶轮、轴、双吸密封环、轴套、轴承等。除轴的材 料为优质碳素钢外，其馀多为铸铁制成。泵体与泵盖构成叶轮的工作室，在进出水法 兰上制有安装真空表和压力表的管螺-，进出水法兰的下部制有放水的管螺。叶轮经过 静平衡校验，用轴套和两侧的轴套螺母固定，其轴向位置可以通过轴套螺母进行调整， 叶轮的轴向力利用其叶片的对称布置达到平衡。 泵轴由两个单列向心球轴承支承，轴 承装在泵体两端的轴承体内，用黄油润滑，双吸密封环用以减少水泵压水室的水漏回 吸水室。 14Sh-9A 型水泵参数介绍： 流量 1332m3/h 杨程 56m 必须气蚀余量 3.5m 转速 1450r/min 电机功率 257KW。 安徽理工大学毕业设计 14 3.2 异步电动机的选型介绍 3.2.1 三相电动机的转动原理 三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速为 n0 ,旋转磁场的磁 力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭 合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极 N 下为南极 S，根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用 表示；在下半部则由外向里，用表示。转子导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动 转子以转速 n 顺 n0方向旋转（电动机左手定则） ，并从轴上输出一定大小的机械功率。 特点：电动机内必须有一个以 n0旋转的磁场。实现能量转换的前提；三相异步电动机 转子之所以会旋转、是因为转子气隙内有一个旋转磁场。电动运行时 n 恒不等于 n0(异 步)且 n =100% 。 (4) 频率限制 即变频器输出频率的上、 下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设定 信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。此 功能还可作限速使用，如有的皮带输送机，由于输送物料不太多，为减少机械和皮 带的磨损，可采用变频器驱动，并将变频器上限频率设定为某一频率值，这样就可 使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。 (5) 偏置频率 其用途是当频率由外部模拟信号（电压或电流）进行设定时，可用此功能调整 频率设定信号最低时输出频率的高低，有的变频器当频率设定信号为0%时，偏 差值可作用在 0fmax 范围内，有的变频器（如明电舍、三垦）还可对偏置极性进 行设定。如在调试中当频率设定信号为0%时，变频器输出频率不为 0Hz，而为 xHz，则此时将偏置频率设定为负的 xHz 即可使变频器输出频率为 0Hz。 (6) 频率设定信号增益 此功能仅在用外部模拟信号设定频率时才有效。它是用来弥补外部设定信号电 压与变频器内电压（ +10v）的不一致问题；同时方便模拟设定信号电压的选择，设 定时，当模拟输入信号为最大时（如 10v、5v或20mA） ，求出可输出 F/V图形的频 率百分数并以此为参数进行设定即可；如外部设定信号为05v时，若变频器输出 频率为050Hz，则将增益信号设定为 200%即可。 3.3.5 变频器的选型及硬件配置 （1）通过对各主要生产厂家的产品的性能价格比分析，选用三垦力达公司 SAMCO-VMO5-SPF 系列通用变频器的调速变频器。SAMCO-VMO5-SPF 具备无速度 传感器矢量控制功能，可实现无传感器应用场合的高转矩及高精度控制。同时具备电 机参数的自动检测功能，因此能实现在各种运行条件下对电机的最佳控制。 SAMCO- VMO5-SPF 能适应不同的用途提供两种系列，一般工业用的 SHF 系列和风机、水泵用 的 SPF 系列。 安徽理工大学毕业设计 19 三肯系列通用变频器介绍:三垦通用变频器采用恒定控制方式和无速度传感器/Uf 矢量控制方式，