高层建筑恒压供水控制系统设计毕业设计论文.doc

i 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 潇湘学院毕业设计 论文 潇湘学院毕业设计 论文 题目题目高层建筑恒压供水控制系统设计高层建筑恒压供水控制系统设计 作者作者 学院学院信息与电气工程学院信息与电气工程学院 专业专业电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学号学号 指导教师指导教师 二 一二 年 六 月 五 日 ii 湖南科技大学湖南科技大学 本科生毕业设计 论文 任务书本科生毕业设计 论文 任务书 信息与电气工程 学院 自 动 化 工 程 系 教研 室 系 教研室 主任审批 签名 日期 学生姓名 王水斌 学号 0854010205 专业 电气工程 1 设计 论文 题目及专题 高层建筑恒压供水控制系统设计 2 学生设计 论文 时间 自 二 月 二十 日开始至 六 月 十 日止 3 设计 论文 所用资源和参考资料 1 过程控制系统设计 2 自动控制原理 3 PLC 原理及应用 4 设计 论文 完成的主要内容 1 恒压供水 PLC 控制系统总体方案设计 2 恒压供水 PLC 控制系统硬件设计 3 恒压供水 PLC 控制系统 PLC 编程 4 控制器参数的整定 控制功能验证 5 系统设计的优缺点 设计心得 5 提交设计 论文 形式 设计说明与图纸或论文等 及要求 1 设计论文 2 4 万字 40 页 格式和要求按院有关规定 2 系统原理图 软件框图及仿真软件 6 发题时间 二零一二 年 二 月 十八 日 指导教师 签名 孙昌跃 学 生 签名 iii 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 潇湘学院毕业设计 论文 指导人评语潇湘学院毕业设计 论文 指导人评语 主要对学生毕业设计 论文 的工作态度 研究内容与方法 工作量 文献应用 创新性 实用 性 科学性 文本 图纸 规范程度 存在的不足等进行综合评价 指导人 指导人 签名 年 月 日 指导人评定成绩 指导人评定成绩 iv 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 潇湘学院毕业设计 论文 评阅人评语潇湘学院毕业设计 论文 评阅人评语 主要对学生毕业设计 论文 的文本格式 图纸规范程度 工作量 研究内容与方法 实用性与 科学性 结论和存在的不足等进行综合评价 评阅人 评阅人 签名 签名 年年 月月 日日 评阅人评定成绩 评阅人评定成绩 v 湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 潇湘学院毕业设计 论文 答辩记录潇湘学院毕业设计 论文 答辩记录 日期 日期 学生 学生 学号 学号 班级 班级 题目 题目 提交毕业设计 论文 答辩委员会下列材料 提交毕业设计 论文 答辩委员会下列材料 1 1 设计 论文 说明书设计 论文 说明书 共共页页 2 2 设计 论文 图设计 论文 图 纸纸 共共页页 3 3 指导人 评阅人评语指导人 评阅人评语 共共页页 毕业设计 论文 答辩委员会评语 毕业设计 论文 答辩委员会评语 主要对学生毕业设计 论文 的研究思路 设计 论文 质量 文本图纸规范程度和对设计 论 文 的介绍 回答问题情况等进行综合评价 答辩委员会主任 答辩委员会主任 签名 委员 委员 签名 签名 签名 签名 答辩成绩 答辩成绩 总评成绩 总评成绩 vi 摘摘 要要 本文介绍水泵在高层建筑恒压供水系统中的 PLC 和变频控制以及监控组态设计过 程 系统使用压力变送器对供水水压进行连续检测 检测到的压力信号转换成电信号 后送给可编程控制器 PLC 和变频器 PLC 作为核心控制机构 一方面控制变频器和 高峰补水泵工作 另一方面与上位机相连 实现对系统运行状态的组态监控 变频器 通过其内部的 PID 调节运算功能 变频器和水泵构成执行机构 压力变送器作为检测 和反馈机构 共同组成一个闭环控制系统 本系统采用一台变频器拖动三台水泵电机 的起动切换 运行和调速 水泵机组采用循环使用的方式运行 系统设有监控上位机 上位机与 PLC 连接 完成对系统运行的数据采集和状态监控 系统运行时 压力变送器能够实时检测到供水管网的水压值并反馈到 PLC 和变频 器 变频器利用 P1D 控制策略实时调整水泵的运行速度 频率 改变其流量 从而实 现恒压供水 单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转 速 n 从而改变水泵的流量 Q 来实现的 分析水泵的能耗比较图 可以看出利用变频器 实现变频调速恒压供水 当水泵电机转速降低时 流量与转速成正比 功率以转速的 三次方下降 与传统供水方式阀门节流控制相比 可以大幅度降低能耗 本系统节能 效果明显 关键词关键词 恒压供水 组态监控 PLC 变频器 vii Abstract In this paper the water pump in the high rise building constant pressure water supply system of PLC and inverter control and monitoring configuration design process The system uses hydraulic pressure transmitter for continuous water supply testing to detect the pressure signal after the conversion to electrical signals to the programmable logic controller PLC and the inverter PLC as a core control mechanism on the one hand to control the peak transducer and pump up the work on the other hand connected with the host computer running on the system to achieve the configuration monitoring inverter through its regulation of the internal operations of the PID function transducer and pumps constitute the implementation of institutions pressure transmitter testing and feedback as a body the formation of a joint closed loop control system The system uses a frequency converter three drag pump motor starter switch operation and speed The use of recycled water pump unit run PC system with monitor PC and PLC connection completion of the system of data collection and condition monitoring System is running the pressure transmitter can be detected in real time pressure water supply networks and value back to the PLC and inverter inverter P1D control strategies using real time adjustment of pump speed frequency change its flow in order to achieve constant pressure water supply A single pump operating conditions through the regulation of the power inverter to change the frequency f to change the motor speed n in order to change the pump flow Q to achieve Analysis of pump power consumption comparison one can see the use of VVVF inverter to achieve constant pressure water supply when the pump motor speed to reduce traffic flow and speed in direct proportion to the power side to speed the decline in the three traditional methods of water supply valve expenditure compared to the door control can greatly reduce energy consumption energy saving effect of the system KEY WORDS Water supply constant pressure water supply PLC viii 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 第二章第二章 调速恒压供水系统能耗与安全性分析调速恒压供水系统能耗与安全性分析 3 3 2 1 供水系统的基本模型 3 2 2 供水系统的特性曲线和工作点 4 2 3 供水系统中恒压实现方式 6 2 4 异步电动机调速方法 6 2 5 变频器选型 8 2 6 变频调速恒压供水系统能耗分析 10 2 6 1 转速控制调节流量实现节能 10 2 6 2 转速控制供水系统的工作效率高 11 2 6 3 变频调速电机运行效率高 12 2 7 供水系统安全性讨论 12 2 7 1 水锤效应 12 2 7 2 产生水锤效应的原因及消除办法 13 2 7 3 变频调速对供水系统安全性的作用 13 第三章第三章 变频调速恒压供水控制系统设计变频调速恒压供水控制系统设计 1515 3 1 供水系统总体方案的确定 15 3 2 系统控制电路 16 3 3 控制系统的硬件设计 18 3 3 1 PLC 控制系统设计按以下流程进行 18 3 3 2 系统主要配置的选型 19 3 3 3 主电路方案设计 21 3 3 4 控制电路设计 22 3 3 5 PLC 的 I O 端子分配及接线图 24 3 3 6 变频器功能设定及接线图 25 3 4 PLC I O 分配 27 第四章第四章 组态监控界面设计组态监控界面设计 2929 4 1 组态监控程序设计 29 4 2 组态设计步骤 30 4 3 主画面的设计 36 4 4 PID 参数整定及其仿真 37 第五章第五章 结结 论论 4040 ix 参考文献参考文献 4141 致致 谢谢 4242 附录附录 A A 部分程序部分程序 4343 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪论绪论 随着社会经济的迅速发展 水对人民生活与工业生产的影响日益加强 人民对供 水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高 把先进的自动化技术 控制技术 通讯 及网络技术等应用到供水领域 成为对供水系统的新要求 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环 传统供水方式占地面积大 水质易污染 基建投资多 而最主要的缺点是水压不能保持恒定 导致部分设备不 能正常工作 变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术 它以其独特 优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域 特别是供水行业中 由于安全生产和 供水质量的特殊需要 对恒 压供水压力有着严格的要求 因而变频调速技术得到了 更加深入的应用 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的 国内有不少公司在 做变频恒压供水的工程 大多采用国外的变频器控制水泵的转速 水管管网压力的闭 环调节及多台水泵的循环控制 有的采用可编程控制器 PLC 及相应的软件予以实现 有的采用单片机及相应的软件予以实现 但在系统的动态性能 稳定性能 抗扰性能 以及开放性等多方面的综合技术指标来说 还远远没能达到所有用户的要求 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 变频恒压供水系统集变频技术 电气技术 现代控制技术于一体 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 方便地实现供水系统的集中管理与监控 同时系统具有良好的节能性 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 变频恒压供水系统同其它供水方式相比较 除了具有显著的节能效果外 还有 以下显而易见的优势 1 恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率 而达到调节水泵转速改变 水泵出口压力 比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式 具有降低管道阻力大大 减少截流损失的效能 2 由于变量泵工作在变频工况 在其出口流量小于额定流量 泵转速降低 减 少了轴承的磨损和发热 延长泵和电动机的机械使用寿命 3 水泵电动机采用软启动方式 按设定的加速时间加速 避免电动机启动时 的电流冲击 对电网电压造成波动的影响 同时也避免了电动机突然加速造成泵系 统的喘振 彻底消除水锤现象 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 2 4 实现恒压自动控制 不需要操作人员频繁操作 降低了人员的劳动强度 节 省了人力 众所周知 水是生产生活中不可缺少的重要组成部分 在节水节能已成为时代特 征的现实条件下 我们这个水资源和电能短缺的国家 长期以来在市政供水 高层建 筑供水 工业生产循环供水等方面技术一直比较落后 自动化程度低 主要表现在用 水高峰期 水的供给量常常低于需求量 出现水压降低供不应求的现象 而在用水低 峰期 水的供给量常常高于需求量 出现水压升高供过于求的情况 此时将会造成能 量的浪费 同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏 变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式 气压罐方式依靠压力罐中的 压缩空气送水 气压罐配套水泵运行时 水泵在额定转速 额定流量的条件下工作 当系统所需水量下降时 供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费 同 时水泵是工频率启动 且启动频繁 又会造成一定的能耗 而变频恒压供水在系统用 水量下降时可无级调节水泵转速 使供水压力与系统所需水压大致相等 这样就节省 了许多电能 同时变频器对水泵采用软启动 启动时冲击电流很小 启动能耗比较小 另外气压罐要消耗一定的钢量 这也是它的一个较大的缺点 而变频调速供水系统的 变频器是一台由微机控制的电气设备 不存在消耗多少钢材的问题 同时由于气压罐 体积大 占地面积一般为几十平米 而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米 由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积 在运行效果上 气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距 气压罐方式的运行不稳定 突出表现在 它的频繁启动 由于气压罐的调节容量仅占其总容积的 1 3 1 6 因而每个罐的调节能 力很小 只得依靠频繁的启动来保证供水 这样将产生较大的噪声 同时由于启动过 于频繁 压力不稳 加之硬启动 电气和机械冲击较大 设备损坏很快 变频调速式 的运行十分稳定可靠 没有频繁的启动现象 加之启动方式为软启动 设备运行十分 平稳 避免了电气 机械冲击 在小区供水中 而且由于调速式是经水泵加压后直接 送往用户的 防止了的水质二次污染 保证了饮用水水质可靠 由此可见 变频调速式供水系统具有节约能源 节省钢材 节省占地 节省投资 调节能力大 运行稳定可靠的优势 具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效 益 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 3 第二章第二章 调速恒压供水系统能耗与安全性分析调速恒压供水系统能耗与安全性分析 在供水系统中 用水量处于动态变化过程之中 采取恒速泵供水方式 无法维持 管压恒定 同时也影响设备寿命 若采取阀门控制调节流量来维持管压 必然造成大 量的电能浪费 而且水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应 对管网 阀门等 也具有破坏性的影响 基于恒压 节能及安全性考虑 采取变频调速恒压供水方式是 一种不错的选择 据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水 可节 20 50 节 能效果相当显著 在讨论变频调速恒压供水系统节能机理与安全性之前 有必要讨论 分析供水系统的一些基本概念和特性 2 1 供水系统的基本模型供水系统的基本模型 供水系统的基本模型如图 2 1 所示 摩擦损失 吸入口 水压 全 扬 程 实 际 扬 程 mHB mHT 泵 H0 H1 H3 H2 水面 L0 图图 2 12 1 供水系统的基本模型供水系统的基本模型 a 全扬程的概念 b 基本模型 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 4 图中 水泵中心位置 吸水口水位 水平面水位 管 0 L 0 h 1 h 2 h 道最高处水位 在管道高度不受限制的情况下 水泵能够泵水上扬的最高位置 3 h 的水位 表明水泵的泵水能力 在真实的管道系统中 这个位置并不存在 只有在 大于管道的实际最高位置的情况下 才能正常水 3 h 主要参数有 1 流量 单位时间内流过管道内某一截面的水流量 常用单位是 min Q 3 m 2 扬程 也称水头 是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化H 量 数值上等于对应的水位差 常用单位是 m 3 实际扬程 供水系统中 实际的最高水位与最低水位之间的水位差 即 B H 2 h 1 h 供水系统实际提高的水位 即 B H 2 h 1 h 4 全扬程 水泵能够泵水上扬的最高水位与吸入口的水位之间的水位差 T H 3 h 0 h 全扬程的大小说明了水泵的泵水能力 即 T H 3 h 0 h 5 损失扬程 全扬程与实际扬程之差 即为损失扬程 之间的关系 L H B H T H L H 是 供水系统为了保证供水 其全扬程必须大于实际扬程 这多余的 T H B H L H 扬程一方面用于提高及控制水的流速 另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失 6 管阻 阀门和管道系统对水流的阻力和阀门开度 流量大小 管道系统等多R 种因素有关 难以定量计算 常用扬程与流量间的关系曲线来描述 7 压力 表明供水系统中某个位置水压大小的物理量 其大小在静态时主要取P 决于管路的结构和所处的位置 而在动态情况下 则还与流量与扬程之间的平衡情况 有关 2 2 供水系统的特性曲线和工作点供水系统的特性曲线和工作点 供水系统的参数表明了供水的性能 但各参数之间不是静止孤立的 相互间存 在一定的内在联系和变化规律 这种联系 和变化规律可用供水系统的特性曲线直观 地反映 主要有扬程特性曲线和管组特性 E H 0 H N H C H E Q N Q O B H T H A B N 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 5 曲线 如图 2 2 通过特性曲线图可以掌握供水系统的性能 确定其工作点 图 2 2 中 曲线 额定转速时的扬程特性曲线 N n 曲线 转速时的扬程特性曲线 1 n 曲线 阀门开度 100 时的管阻特性曲线 曲线 阀门开度不足 100 时的管阻特性曲线 图图 2 22 2 供水系统特性曲线供水系统特性曲线 1 扬程特性 以管路中的阀门开度不改变为前提 即截面积不变 水泵在某一转速下 全扬程 与流量间 的关系曲线 称为扬程特性曲线 不同转速下 扬程特性曲线不同 图 2 2 QfHT 中的曲线 分别对应于转速 且 N n 1 n N n 1 n 曲线表明转速一定时 用水量增大 即流量增大 管道中的管阻损耗也就越大 供水系统的全扬程就越小 反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的 在这里 流 量的大小取决于用户 是用水流量 用表示 U Q 用水量一定时 即不变 转速越低 水泵的供水能力越低 供水系统的全扬程 U Q 就越小 2 管阻特性 以水泵的转速不改变为前提 阀门在某一开度下 全扬程与流量间的关系曲线 称为管阻特性曲线 不同阀门开度 管阻特性曲线不同 图 2 2 中的曲 QfHT 线 对应阀门开度大于曲线 对应的阀门开度 管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线 此时转速一定 表明水泵 供水能力不变 流量的大小取决于阀门的开度 即管阻的大小 是由供水侧来决定的 故管阻特性的流量可以认为是供水流量 用表示 G Q 在实际的供水管道中 流量具有连续性 并不存在供水流量与用水流量的差别 这里的和是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量 G Q U Q 当供水流量接近于 0 时 所需的扬程等于实际扬程 表明了如果 G Q BT HH 全扬程小于实际扬程的话 将不能供水 因此 实际扬程也就是能够供水的基本扬程 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 6 3 供水系统的工作点 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 在这一点 供水 系统既满足了扬程特性 也符合了管阻特性 供水系统处于平衡状态 系统稳定运行 图 2 2 中的点表示水泵工作于额定转速 阀门开度为 100 时的供水状态 为系N 统的额定工作点 4 供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率 kW 称为供水功率 供水功率与流量和扬 G P 程的乘积成正比 2 1 QHCP rPG 式中一一比例常数 P C 2 3 供水系统中恒压实现方式供水系统中恒压实现方式 对供水系统进行的控制 归根结底是为了满足用户对流量的需求 所以 流量是 供水系统的基本控制对象 而流量的大小又取决于扬程 而扬程难以进行具体测量和 控制 考虑到动态情况下 管道中水压的大小是扬程大小的反映 而扬程与供水能力 由流量表示 和用水需求 由用水流量表示 之间的平衡情况有关 G Q U Q 若供水能力 用水需求 则压力下降 G Q U QP 若供水能力 用水需求 则压力不变 G Q U QP 若供水能力 用水需求 则压力上升 G Q U QP 可见 流体压力的变化反映了供水能力与用水需求之间的矛盾 从而 选P U Q 择压力控制来调节管道流量大小 这说明 通过恒压供水就能保证供水能力和用水流 量处于平衡状态 恰到好处地满足了用户所需的用水流量 2 4 异步电动机调速方法异步电动机调速方法 通过转速控制法实现恒压供水 需要调节水泵的转速 水泵通过联轴器由三相异 步电动机来拖动 因此水泵转速的调节 实质就是需要调节异步电动机的转速 由三 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 7 相异步电动机的 2 2 1 60 1 1 s p f snn 由式 2 2 可知调速方法有变极调速 变转差调速和变频调速 1 变极调速 在电源频率一定的情况下 改变电动机的磁极对数 实现电机转速的改变 磁极 对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现 这种调速方式只适用于专门的 变极电机 而且是有极调速 级差大 不适用于供水系统中转速的连续调节 2 变转差调速 通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变 三相异步电动机的转子铜损耗为 2 3 emCu sPrIP 2 2 22 3 该损耗和电机的转差率成正比 又称为转差功率 以电阻发热方式消耗 电动机 工作在额定状态时 转差率 很小 相应的转子铜损耗小 电机效率高 但在供水系统s 中由转速控制法实现恒压供水时 为适应流量的变化 电机一般难以工作于额定状态 其转速值往往远低于额定转速 此时的转差率 增大 转差功率增大 电机运行效率降s 低 虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流 逆变装置回 馈给电网 但其功率因数较低 低速时过载能力低 还需一台与电动机相匹配的变压 器 成本高 且增加了中间环节的电能损耗 因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法 3 变频调速 通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式 这种调速方式需要专用的变频装置 即变频器 最常用的变频器采取的是变压变 频方式的 简称为 VVVF Variable Voltage Variable Frequency 在改变输出频率 的同时也改变输出电压 以保证电机磁通基本不变 其关系为 常数 1 1 f u 式中 一一变频器输出电压 一一变频器输出频率 1 u 1 f 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 8 变频调速方式时 电动机的机械特性表达式 2 2 21 2 11 2 2 11 xx s r rf srpUm T 2 4 式中 一一电机相数 一一定子电阻 一一定子漏电抗 一一转子漏电抗折 1 m 1 r 1 x 2 x 算值 频率从额定值往下调时 电机机械特性变化情况如图2 3所示 1 f N f 图中 N f 1 f 2 f 3 f 4 f 变频调速过程的特点 静差率小 调速范围大 调速平滑性好 而且 很关键的一点是调速过程中 其 转差率不变 电机的运行效率高 适合于恒压供水方式中的转速控制法 因此恒压供 水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果 n T 1 f 2 f 3 f 4 f N f 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 9 图图 2 32 3 变频调速机械特性变频调速机械特性 2 5 变频器选型变频器选型 变频器的选择包括变频器的型式选择 容量选择和变频器箱体结构的选择三个方 面 其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求 再尽可能节省资金 1 变频器的型式选择 根据控制功能可将通用变频器分为三种类 普通功能型U F控制变频器 具有转矩 控制功能的高性能U F控制变频器和矢量控制高性能型变频器 变频器类型的选择要根 据负载的要求进行 对于风机 泵类等平方转矩 低速负载转矩较小 通常可选择普 通功能型的变频器 在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数 1 电动机的极数 一般电动机极数以不多于4极为宜 否则变频器容量要适当 加大 2 转矩特性 在同等电动机功率情况下 相对于高过载转矩模式 变频器规格 可以降额选取 3 电磁兼容性 为减少主电源千扰 使用时可在中间或变频器输入电路中增加 电抗器 或安装前置隔离变压器 一般当电动机与变频器距离超过50m时 应在它们中 间串入电抗器 滤波器或采用屏蔽防护电缆 变频器的选型应满足以下条件 1 电压等级与驱动电动机相符 2 额定电流为所驱动电动机额定电流的1 1 1 5倍 3 根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式 2 变频器容量选择 变频器的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量是一 个反映半导体变频器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 变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率 由于同容量电动机 其极数不同 电动机额定电流不同 随着电动机极数的增多 电动机额定电流增大 变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据 同时 对于原来采用变频器的改造 项目 变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据 这是因为 电动机的容量 选择在考虑最大负载 富裕系数 电动机规格等因素 往往电动机的容量富裕较大 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 10 工业用电动机常常在50 60 额定负荷下运行 若以电动机额定电流为依据来选择变 频器的容量 留有富裕量太大 造成经济上浪费 而可靠性并没有因此而得到提高 变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流 如果电动机额定电流小于同 功率的变频器额定电流 一般来说用同等功率的就足够了 但如果大了 只好用大一 级的变频器 对于鼠笼式异步电动机 变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于 电动机的最大正常工作电流1 1倍为原则 这样可以最大限度地节约资金 在选用变频 器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性 一般不要留有太大功率余量 变频 器与电动机两者的功率应相匹配 不但经济性好而且输出波型更好 3 变频器箱体结构的选用 变频器的箱体结构要与环境条件相适应 即必须考虑温度 湿度 粉尘 酸碱度 腐蚀性气体等因素 这些因素与能否长期安全 可靠运行有很大的关系 常见有下列 几种结构类型可供设计中选用 1 敞开型IP00 本身无机箱 适合装在电控箱内或电气室内的屏 盘 架上 尤其是多台变频器集中使用 选用这种型式较好 但环境条件要求较高 2 封闭IP20 适用一般用途 可用于有少量粉尘或少许温度 湿度变化的场合 3 密闭型IP65 适用环境条件差 有水 尘及一定腐蚀气体的场合 根据以上理论 选用三菱FR A540系列变频器 该变频器采用先进磁通矢量控制方 式 实现在线自动调整功能 调速比可达1 120 0 5 60Hz 可拆御风扇和接线端 子 维护方便 柔性PWM 实现更低噪音运行 内置RS485通信口 可插扩展卡符合全 世界主要通信标准 PID等各种功能适合各种应用场合 应用三菱FR A540系列变频器 内置PID功能的PLC控制恒压供水系统 效率高 损耗小 调速供水节能效果突出 运 行稳定 可靠性高 抗干扰能力强 精度高 动态响应快 体现了变频调速恒压供水 的技术优势 取代了水塔 水箱 气压罐等 实现恒压供水 成为供水网的换代产品 图图 2 42 4 变频器实物图变频器实物图 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 11 2 6 变频调速恒压供水系统能耗分析变频调速恒压供水系统能耗分析 2 6 1 转速控制调节流量实现节能转速控制调节流量实现节能 1 转速控制法与阀门控制法供水能耗分析 在图 2 2 中 将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中 假设 系统原工作于额定状态点 当所需流量减少 从额定流量变为时 在恒压前N N Q E Q 提下 采用阀门控制法时供水系统工作点将移到 A 点 对应的供水功率与面积 G P 成正比 采用转速控制法时供水系统工作点将移到 B 点 对应的供水功率 EEOQ AH 与面积成正比 G P ECOQ BH 两种控制方式下的面积之差 表明了采取转速控制方式相对于阀门控PBHAH CE 制方式可以实现节能 2 转速调节与恒速运行供水能耗分析 根据水泵比例定理 改变转速 水泵流量 扬程和轴功率都随之相应变nQHP 化 其关系式为 2 11 n n Q Q 2 5 2 11 n n H H 2 6 311 n n P P 2 7 从以上关系可知 当转速下降时 轴功率按转速变化的 3 次方关系下降 可见转速n 对功率的影响是最大的 一般在设计中 水泵均考虑在最不利工况下供水 水泵在选型上也是按水泵额定 工作点选型和安装使用 即按额定工作点设计 但在实际运行中 管网用水量常常低 于最不利工况 这时 如降低转速相对于恒速泵供水运行 能使水泵的轴功率大大减 少 可见 在供水系统中根据用水量的大小 通过变频方式调节水泵转速的方式来实 现供水具有很好的节能效果 而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 12 2 6 2 转速控制供水系统的工作效率高转速控制供水系统的工作效率高 1 工作效率的定义 供水系统的工作效率为水泵的供水功率与轴功率之比 即 G P p P P G p P p 2 8 该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率 式 2 8 中 是 p P 指水泵是在一定流量 扬程下运行时所需的外来功率 即电动机的输出功率 是供水系统的输出功率也就是水获得的实际功率 由实际供水的扬程和流量计 G P 算 供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗 水力损失 容积损失 以 及管路中的管阻损耗 2 供水系统工作效率的近似计算公式 水泵工作效率相对值的近似计算公式如下 2 9 2 2 1 n Q C n Q C p 式 2 9 中 效率 流量和转速的相对值均小于 1 有以下关系 p Q n 为常数 遵循如下规律 1 N p N Q Q Q N n n n 1 C 2 C 1 C 2 C 3 不同控制方式时的工作效率 阀门控制法方式 因转速不变 1 比值 随着流量的减小 减小 n n Q Q Q 水泵工作的效率降低十分明显 p 转速控制方式时 因阀门开度不变 由式 2 9 流量和转速是成正比的 Q n 比值不变 即水泵的工作效率是不变的 总是处于最佳状态 n Q 所以 转速控制方式与阀门控制方式相比 供水系统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二个方面 2 6 3 变频调速电机运行效率高变频调速电机运行效率高 在设计供水系统时 额定扬程和额定流量通常留有裕量 而且 实际用水流量也 往往达不到额定值 电动机也常常处于轻载状态 电机恒速运行时效率和功率因数很 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 13 低 采用变频调速方式变频器能够根据负载轻重调整输入电压 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三个方面 2 7 供水系统安全性讨供水系统安全性讨论论 2 7 1 水锤效应水锤效应 水锤效应是一种形象的说法 它是指给水泵在起动和停车时 水流冲击管道 产生 的一种严重水击 由于在水管内部 管内壁是光滑的 水流动自如 当打开的阀门突 然关闭或给水泵停车 水流对阀门及管壁 主要是阀门或泵会产生一个压力 由于管 壁光滑 后续水流在惯性的作用下 水力迅速达到最大 并产生破坏作用 这就是水 利学当中的 水锤效应 也就是正水锤 相反 关闭的阀门在突然打开或给水泵启 动后 也会产生水锤 叫负水锤 但没有前者大 另一种关于水锤效应的说法 异步电动机在全压启动时 从静止状态加速到额定转速 水 的流量从零猛增到额定流量 由于流体具有动量和一定程度的可压缩性 因此 在极短时 间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击 并产生空化现象 压力冲 击将使管壁受力而产生噪音 就像锤子敲击管子一样 称为水锤效应 水锤效应具有极大 的破坏性 压强过高 将引起管子的破裂 压强过低 又会导致管子的瘪塌 此外 水锤效应还可能损坏阀门和固定件 2 7 2 产生水锤效应的原因及消除办法产生水锤效应的原因及消除办法 产生水锤效应的根本原因 是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大 短时间 内流量的巨大变化而引起的 实际上 水锤出现在起泵和停泵两种情况下 停泵时 如果是扬程很高 泵通过关断电源自然停止 水会逆向砸下来 形成水锤 解决的办 法是采用变频器或软起动器 用变频器最好 要多舒缓都可以 但是如果不需要调速 成本就高了 用软起动器就可以了 大多数软起动器具有软起和软停双重功能 采用 变频调速 通过减少动态转矩 可以实现彻底消除水锤效应 水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢 决定了加速过程流量变化的快 慢 也就决定了水锤效应的强弱 拖动系统中 动态转矩 是电动机的拖动转矩 是供水系统 LmJ TTT m T L T 的制动转矩 图2 5反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况 图中曲线 是异步电动机 的机械特性 曲线 是水泵的机械特性 图2 5b 中的锯齿状线是变频起动过程中的动 态转矩 由图 2 5 可知 水泵在直接起动过程时 因动态转矩很大 造成了强烈的水锤效 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 14 应 通过变频起动 可有效地降低动态转矩消除水锤效应 停机过程效果类似 n T N f n N n J T OO a 全压起动 b 变频起动 图图2 52 5 水泵的直接起动和变频起动水泵的直接起动和变频起动 2 7 3 变频调速对供水系统安全性的作用变频调速对供水系统安全性的作用 采用变频调速 对系统的安全性有一系列的好处 1 消除了水锤效应 减少了对水泵及管道系统的冲击 可大大延长水泵及管道 系统的寿命 2 降低水泵平均转速 减小工作过程中的平均转矩 从而减小叶片承受的应力 减小轴承的磨损 使水泵的工作寿命将大大延长 3 避免了电机和水泵的硬起动 可大大延长联轴器寿命 4 减少了起动电流 也就减少了系统对电网的冲击 提高了自身系统的可靠性 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 15 第三章第三章 变频调速恒压供水控制系统设计变频调速恒压供水控制系统设计 3 1 供水系统总体方案的确定供水系统总体方案的确定 1 用户需求 供水系统总体要求 1 由多台水泵机组实现供水 流量范围 120m3 h 扬程 80 米左右 2 设置一台小泵作为辅助泵 用于小流量时的供水 3 供水压力要求恒定 尤其在换泵时波动要小 4 系统能自动可靠运行 为方便检修和应急 应具备手动功能 5 各主泵均能可靠地实现软启动 6 具有完善的保护和报警功能 7 系统要求较高的经济运行性能 1 方案确定 确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点用水 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 16 需求 同时还需要结合用户用水量变化类型 考虑方案适用性 节能性及其它技术要 求 根据用户的用水时段特点可将用户用水量变化类型分为连续型 间歇型两大类 根据流量的变化特点 还可进一步细分为高流量变化型 低流量变化型 全流量变化 型等 不同季节 不同月份 流量变化类型也会改变 连续型是指一天内很少有流量为零的时候 或本身管网的正常泄漏就保持有一定 的流量 间歇型指一天内有多段用水低谷时间 流量很小或为零 采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显 与通常的工频 气压给水设备相比平均节能可达 30 水泵变频软起动冲击电流小 也有利于电机泵的 寿命 此外水泵在低速运行时 噪声小 采用多台水泵并联供水 根据用水量大小调节投入水泵台数的方案 在全流量范 围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合 使供水压力始终保持为设定值 多泵并联代替一 二台大泵单独供水不会增加投资 而其好处是多方面的 首先是节 能 每台泵都可以较高效率运行 长期运行费用少 其二 供水可靠性好 一台泵故 障时 一般并不影响系统供水 小泵的维修更换也方便 其三 小泵起动电流小 不 要求增加电源容量 其四 只须按单台泵来配置变频器容量 减少投资 处于供水低谷小流量或夜间小流量时 为进一步减少功耗 采用一台小流量泵来 维持正常的泄漏和水压 多泵变频循环工作方式的可靠切换 是实现多泵分级调节的关键 可选用编程灵 活 可靠性高 抗干扰能力强 调试方便 维护工作量小的 PLC 通过编程来实现 供水系统的恒压通过压力变送器 PID 调节器和变频器组成的闭环调节系统控制 根据水压的变化 由变频器调节电机转速来实现恒压 综合以上分析 确定以可靠性高 使用简单 维护方便的变频器和 PLC 作为主要 控制设备来设计变频调速恒压供水系统 其总体结构如图 3 1 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 17 PID 压力 变送器 PLC FX2N32MR 变频器 储 水 池 SLh SLl YV1 电网 压力上 下限信号 电流 水位下 限信号 用户 M1 3 M2 3 M3 3 M4 3 图图 3 13 1 系统构成方案图系统构成方案图 3 2 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计 3 2 1 PLC 控制系统设计按以下流程进行 控制系统设计按以下流程进行 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 18 图图 3 23 2 控制系统设计流程图控制系统设计流程图 3 2 2 系统主要配置的选型系统主要配置的选型 1 水泵机组的选型 根据系统要求的总流量范围 扬程大小 确定供水系统设计流量和设计供水压力 水泵扬程 考虑到用水量类型为连续型低流量变化型 确定采用 3 台主水泵机组和 1 台辅助泵机组 型号及参数见表 3 1 表表 3 13 1 水泵型号及参数水泵型号及参数 用水量 hm 3 扬程 m水泵型号电动机功率 kw配用变频器 kw 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 19 363 10065LG50 205 2222 241 10050LG24 205 1111 2 变频器的选型 根据控制功能不同 通用变频器分为三种类型 普通功能型 u f 控制变频器 具 有转矩控制功的高功能型 u f 控制变频器 矢量控制高功能型变频器 供水系统属泵 类负载 低速运行时的转矩小 可选用价格相对便宜的 u f 控制变频器 综合以上因素 系统选用专为风机 泵用负载设计的普通功能型 u f 控制方式的 森兰变频器 型号 BT12S22KWI 变频器内置 PID 控制模块 可用于闭环控制系统 实现 恒压供水 其主要参数及性能介绍如下 额定容量 30KVA 额定电压 380V 额定电流 45A 额定过载电流 额定电流 的 120 1 分钟 配用制动电阻 30 3 PLC 的选型 依据控制任务 从 PLC 的输入 1 输出点数 存储器容量 输入 l 输出接口模块类 型等方面等来选择 PLC 型号 在供水系统的设计中 我们选择三菱 FX2N 32MR 其 I O 端子分配在 3 2 4 节给出 FX2N 32MR 主要参数及特点 I O 点数 16 16 用户程序步数 4K 基本指令 27 条 功能指令 298 条 基 本指令执行时间 0 08 微秒 通信功能 强 输出形式 继电型 输出能力 2A 点 4 压力变送器及数显仪的选型 选用普通压力表 Y 100 和 XMT 1270 数显仪实现压力的检测 显示和变送 压力表 测量范围 0 1MPa 精度 1 5 数显仪输出一路 4 20mA 电流信号 送给变频器作为 PID 调节的反馈电信号 可设定压力上下 限 通过两路继电器控制输出压力超限信号 5 其余器件型号 表表 3 23 2 器件型号表器件型号表 元件型号参数备注 自动开关DW10 200 3脱扣器 150A3 个 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 20 DZ4 50 320脱扣器 50A1 个 DZ4 25 320脱扣器 25A1 个 接触器CJ10 607 个 熔断器RM10 100 801 个 RM10 200 1254 个 RM10 600 5001 个 按钮开关LA19 11规格 14 个 指示灯XD624V 1 2W4 红 8 绿 中间继电器DZ 53 22024V 2 5 5W14 个 高低水位控制器EQ1 个 主令控制器SA1 个 热继电器JR16 60 3D热元件 32A 45A1 个 32A 3 个 45A 3 2 3 主电路方案设计主电路方案设计 三台大容量的主水泵 1 2 3 根据供水状态的不同 具有变频 工频两种运 行方式 因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联 辅助泵只运行在工频状态 通过一个接触器接入工频 连线时一定要注意 保证水泵 旋向正确 接触器的选择依据电动机制容量来确定 QF1 QF2 QF3 QF4 QF5 QF6 分别为 主电路 变频器和各水泵的工频运行空气开关 FR1 FR2 FR3 FR4 为工频运行时的 电机过载保护用热继电器 变频运行时由变频器来实现电机过载保护 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 21 图图3 33 3 主电路图主电路图 变频器的主电路输出端子 U V W 经接触器接至三