（电力电子与电力传动专业论文）x2s2智能变频电控系统.pdf

武汉理i ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fw a t e rs u p p l yi sd i r e c t l yr e l a t i o nt ot h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h e p e o p l e sl i v e l i h o o d ，s oi ti si n c r e a s i n g l yr e g a r d e db ya l lo v e rt h ew o r l da tl a r g e i nw a t e r s u p p l ys y s t e m ，w a t e rs u p p l yi nc o n s t a n tp r e s s u r em e a n st h a tt e r m i n a lp r e s s u r e k e e p sc o n s t a n ta 儿t h e t i m ew h e nt h eq u a n t i t yo fd i s p e n d e dw a t e rv a r i e s t h e t e r m i n a lp r e s s u r ei nt h es y s t e mi sd e t e r m i n e db yc o n s u m e r sr e q u i r e m e n t c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m sa r eb a s e dont h ed e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fb o t h a u t oc o n t r o la n dc o m p u t e r a n di ti sw i d e l yu s e df o rc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mt o c o n t r o li na l lk i n d so fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yi n s t e a do fr o u t i n ec o n t r o l l e r e q u i p m e n ti n v a r i o u sr e a l m s t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi n f r e q u e n c y c o n v e r s i o nc o m p o s e db yi p c ，p l ca n dt r a n s d u c e r , i n s t e a do fe q u i p m e n t ss u c ha s w a t e rt o w e r ，w a t e rt a n k ，i m p l e m e n t sw a t e rs u p p l yi nc o n s t a n tp r e s s u r e o n l yb ya d j u s t i n gt h r e ep a r a m e t e r so fp r o p o r t i o n ，i n t e g r a l ，d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n tt oa g o o dm a t c h ，p i dc o n t r o l l e rc a na c h i e v eab e t t e re f f e c t i ti st h ek e yt of i n d i n gt h eb e s t m a t c hf o r t h et h r e ep a r a m e t e r sf r o me n d l e s s l yv a r i o u sn o n l i n e a ra s s e m b l ef o r t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi nf r e q u e n c yc o n v e r s i o n n np o s s e s s e sa na b i l i t yt oe x p r e s s n o n l i n e a r , w h i c ha c h i e v e st h eb e s tm a t c hp a r a m e t e r sb yl e a r n i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e u s i n gb pn e t w o r k s ，w ec a nb u i l dap i dc o n t r o l l e rt h a tp a r a m e t e r ss t u d yb ys e l f f o rt h ep u r p o s eo f s a v i n ge n e r g y , t h ep a p e rr e b u i l d sc o n t r o ls y s t e mc o m p o s e db yi p c p l ci nt h ef o u r t hx i n x i a n gw a t e rs u p p l yf a c t o r yb a s e do ue q u i p m e n t si ne x i s t e n c e ，w h i c h n o to n l yi m p l e m e n t ss a v i n ge n e r g yb u ta l s oi sb e n e f i tt oc o n t r o lw a t e rs u p p l y , i n s p e c ti n d i s t a n c e ，a n dp r o d u c ea u t o m a t i c a l l y d e s i g ni m p l y i n gn nc o n t r o ls t r a t e g yt oi m p l e m e n t i n s p e c t s ，c o n t r o l ，t i m i n gi n t e l l i g e n t l ya n ds u p p l yw a t e ri nc o n s t a n tp r e s s u r e ，f u r t h e r m o r e c o m m u n i c a t eb e t w e e np l ca n d i p cu s i n gv i s u a ll a n g u a g e a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sd e v e l o p m e n td i r e c t i o n so fc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y , i t e m b a c k g r o u n d s ，a n di n v e s t i g a t i o ns i g n i f i c a n c e a ts e c o n d ，i ta n a l y s e st h es p e c i a l i t yo f e l e c t r o m o t o ra n dw a t e rp u m pr u n n i n gi nf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，s t a t e sp r i n c i p l eo nc h o o s i n g p r e s s u r ec o n t r o lp o i n t s ，a n db u i l d sm a t hm o d e l so ft r a n s d u c e ra n de l e c t r o m o t o rr u n n i n gi n c o n s t a n tr a t et ov o l t a g ea n df r e q u e n c y i ts t r e s s e st h ed e s i g no fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n di p c a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sc o n t r o la r i t h m e t i c b a s e do nb pn e t w o r k s ，b u i l dm a t hm o d e l sa n di m i t a t e k e yw o r d s w a t e rs u p p l yi nc o n s t a n tp r e s s u r e ，v a r i a b l ef r e q u e n c yv a r i a b l es p e e d ， b pa r i t h m e t i c ，p l c ，f l e ep o r tc o m m u n i c a t i o n i i 武汉理r 人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在供水系统中，还有很多采用恒速泵供水系统，水塔高位水箱和气压罐 供水系统等传统的供水方式，这些供水方式虽实用可行且已广泛应用，但由 于扬水较高且电机一直高速运行水泵耗能巨大，电耗往往占制水成本的6 0 以上，据统计我国每年水泵的电能消耗占电能总消耗的2 l 以上。 恒压供水是指在供水网系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。随着变频调速技术的 同益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。变频恒压供水系统基本 结构如图l 一1 所示。利用变频器、p i d 调= 符器、p l c 等器件的有机结合， 构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代水塔、水箱、气压罐等，实现恒 压供水。 图l 一1变频恒压供水系统基本结构图 通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能降耗，而且有利于实现 供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。目前国内外水厂采用的自 动控制系统数量不少，就其形式可划分为s c a d a 系统、d c s 系统、i p c + p l c 系统、总线式工业控制机构成的系统和现场总线系统。 其中本文采用的是由工业计算机( i p c ) 和可编程控制器( p l c ) 组成 的控制系统。本课题紧跟目前的发展方向，采用智能控制策略探讨变频调速 技术，同时将人工神经网络控制策略寓于变频控制之中，实现智能监测、监 视及智能变频调速控制，达到恒压供水运行，满足用户需求。 武汉理i ：入学硕士学位论文 1 。2 相关技术发展现状 1 2 1 变频调速发展现状 2 0 世纪是变频电控技术迅猛发展的时代，特别是2 0 世纪9 0 年代以后， i g b t 、i g c t ( 集成门极换向性品闸管) 等新型电力电子器件的发展，d s p ( 数字信号处理器) 和a s i c ( 专用集成电路技术) 的快速发展以及现代控 制理论和技术的完善，使交流异步电动机的变频电控系统在调速范围，调速 精度，动态响应，功率因数，运行效率和使用方便等性能指标超过了直流电 动机电拖系统，达到了取代直流电拖系统的地步，受到各行业的欢迎，并取 得显著的经济效益。目前，变频电控技术以显著的节电效益，优良的调速性 能以及广泛的各种实用性，而成为电气传动的发展重要方向，变频电控技术 涉及到电机，电力电子技术，微电子技术，信息技术与控制技术等多个领域。 变频电控技术的发展离不开电力电子器件的更新。逆变器从采用半控器 件到采用全控器件，其输出量从调幅控制方式发展为调宽控制方式，不仅大 大减小谐波分量，而且拓宽了异步电动机变频调速范围和减小了转矩的脉动 幅度。然而，g t r 工作频率一般在2 k h z 以下，载波频率和最小脉宽都受到 限制，难以得到较为理想的正弦脉宽调制波形，使异步电动机在变频调速时 产生刺耳的噪声。 i g b t 的工作频率可在1 0 - 2 0 k h z 之问，与g t r 相比，不仅工作频率高 出一个数量级，而且在电压和电流指标( 如电流浪涌耐量、电压阻断峰值、 导通电流密度、门极驱动功耗等各项指标) 均已超过g t r 。由于逆变载波 频率的提高以及可以构成特定的p w m 波形，异步电动机的噪声大为降低。 因此在新一代的变频器中i g b t 已经取代了g t r 。采用i g b t 的低压变频器 的最大容量在3 8 0 v 级可达5 4 0 k v a ，而6 0 0 v 级可达7 0 0 k v a ，能对4 8 5 k w 电动机进行变频调速，最高输出频率可达4 0 0 - - 6 0 0 h z ，能对中频电机进行 调频控制。利用i g b t 组合构成的高压( 3 k v 6 3 k v ) 变频器也已有系列产 品，最大容量可达7 4 6 0 k w ，其特点是效率高和谐波小。 智能功率模块i p m 是以i g b t 为丌关器件，同时含有驱动电路和保护电 路，是一种功率集成器件( p i c ) 。i p m 的保护功能有过流、短路、欠压、 过压和过热等，还可以实现再生制动。由i p m 组成的逆变器只需对桥臂上 各个i g b t 提供隔离的p w m 信号即可。简单的外部电路和控制电路的集成 化，使变频器体积大为减小。其次，由于功率开关器件的故障检测和保护电 路最接近故障点，故可以抑制故障扩大，保证装置可靠运行。 武汉理t 大学硕十学位论文 现代控制策略促进了变频技术的发展。筇吖变频器采用的是压频比标 量控制方式，它根据异步电动机等效电路确定的线性u t f 比进行变频调速。 改变u f 只能调节电动机的稳态磁通和转矩，谈不l 动态控制。为提高低频 时电动机产生的转矩，通常采用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压 降的方法，可以拓宽变频调速范围。第二代变频器的主要控制方式是矢量控 制。它参照直流电动机的控制方式，将异步电动机的定予电流空间矢量分解 为转子励磁分量和转矩分量。首先是要控制励磁，所以又把矢量控制称为磁 场定向控制。至于转矩控制则是f l | j 接的。矢量控制的主要缺点是需要复杂的 坐标变换运算以及需检测转速信号。因此捉“：了无速度传感器矢量控制的方 案，它根据异步电动机实际运行的相电压和相电流以及定转子绕组参数推算 出转速观测值，进而计算出转予磁链和转矩电流的观测值，以实现磁场定向 的矢量控制。与矢量控制并行发展的还有直接转矩控制方式，它以异步电动 机的转矩作为被控量，强凋转矩直接控制效果，并不刻意追求输出电流为正 弦波形。这种控制方式的优点是对电动机参数变化不敏感。 控制理论和微电子技术的发展，矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊 控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础。 1 2 2 智能控制技术现状 智能控制方法主要包括自适应控制、模糊控制、神经网络等。 自适应控制是一种基于稳定性理论分析的控制方法，它通过构建李亚普 诺夫方程对参考模型进行辨识，利用参数迭代逐渐逼近预期目标。目前，自 适应控制已经得到了广泛的应用并取得了显著的效果，但是，这一类控制方 法的主要问题是一方面其稳定性理论的应用需要附加很强的假设条件，在实 践中往往难以满足，使得某些控制系统在一定条件下仍会丧失稳定性，另一 方面，由于其基本上都是通过对模型矩阵中的参数实时迭代，因此，当要求 同时辨识的参数较多时，难以获得实时的控制效果。f 2 模糊推理系统模仿了人们对事物的直观判决，其主要应用领域是在工业 过程控制中。这些工业过程或者没有一个数学模型，或者其数学模型具有很 强的非线性，通过合理的选择模糊逻辑规则就可以有效地对特定应用领域中 的人类专门知识建模。但是，由于过分依赖于人类知谚 ，模糊推理系统在外 界变化时缺乏适应能力。i 3 ) f 4 】 神经网络的创立起源于人们对物理学、心理学和神经生理学的跨学科研 究。近年来，随着计算机能力的急刷增强和，1 泛应用，以及新概念的提出( 主 武汉理工人学硕j ：学位论文 要是h o p f i e l d 联想存储器和用于训练多层感知机的反传算法) ，神经网络的 研究活跃起来，在最近的十多年中，神经网络被应用在许多领域，取得了很 大的成功i5 1 。如果说模糊逻辑像一个内在功能清晰的模块，那么神经网络就 像一个黑匣子。在同样的输入输出下，这个黑匣子内部可能会具有不同的结 构，它取决于系统的初始状况和输入参数的变化过程，因算法和网络结构的 不同还会有很大的区别。神经网络与模糊控制相比还具有根据外界变化进行 学习的特点。1 6 1 事实上，各种智能控制方法互相之闸有着很强的内在联系，它们的出现 主要是为了解决现实中各种应用传统的精确控制无法解决或效果不好的控 制系统。因此它们与传统控制系统有很强的互补性，在电机控制系统中的应 用包括调速、参数辨识、转速估计、自适应滤波等等”】。由于智能控制方法 的引入，特别是智能控制各分支学科的交叉结合，为电气传动的研究开辟了 新的领域。 神经网络对控制领域有吸引力的特征主要表现在：能逼近任意l 2 范数 上的非线性函数；信息的并行分布式处理与存储；可以多输入、多输出；便 于用超大规模集成电路( v l s i ) 或用现有的计算机技术实现；能进行学习， 以适应环境的变化。 2 3 1 神经网络整体性能由三大要素决定：神经元( 信息处理单元) 的特性； 神经元间相互连接的形式一拓扑结构；为适应环境而改善性能的学习规则。 目前神经网络用于控制领域已取得很大的进展，具体表现在以下方面： 基于神经网络的系统辨识。将神经网络作为被辨识系统的模型，可在已知常 规模型结构的情况下，估计模型的参数，或利用神经网络的线性、非线性特 性，可建立线性、非线性系统的静态、动态、逆动态及预测模型，重点在于 非线性系统的建模与辨识：神经网络作为实时控制系统的控制器，对于不确 定、不确知系统及扰动进行有效控制，使控制系统达到所要求的动态、静态 特性；神经网络与专家系统、模糊逻辑、遗传算法等结合用于控制系统，可 以为系统提供非参数模型、控制器模型；神经网络为在常规控制系统设计中 常遇到的求解约束优化问题，提供了有效的途径；随着对控制系统安全性、 可靠性、可维护性要求的提高，神经网络对系统的故障检测与诊断问题的研 究取得了很大的进展。 但是神经网络控制在理论与实践上，仍有待于进一步的研究与探讨。如 神经网络的学习速度一般较慢，为满足实时控制的需要必须予以解决；对 于控制器及辨识器，如何选择合适的神经网络模型及确定模型的结构，尚无 武汉理t 人学硕。f ：学位论文 理沦指导，引入神经网络的控制系统，在稳定性和收敛性的分析方面增加了 难度等。 1 2 3 计算机控制系统发展现状“副 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产 生的。将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了 一个典型的计算机控制系统，如图1 2 所示。随着大规模集成电路的发展， 用计算机代替自动控制系统中的常规控制设备，对系统进行调节和控制的方 式广泛应用于各个领域。 图1 2 计算机控制系统基本框图 当前计算机控制技术的发展方向和研究课题主要表现在以下几个方面： 1 集散控制系统 目前的过程控制领域，集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛 使用的主流系统。在集散控制系统中，是用以微处理器为基础的过程控制器 对生产过程实现分散控制。一个控制器控制一个或多个回路，这样可避免在 采用集中计算机控制系统时，若计算机出现故障，将对整个生产装置和整个 生产系统带来严重的后果。 2 可编程控制器 可编程控制器( p l c ) 已广泛用于工业控制的各领域。由于它可通过软 件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强 及可靠性高等优点，非常适合于恶劣工作环境下运行，因此本文设计的电控 系统亦选用了可编程控制器。 目前，我国引进了美国、德国、日本等国家的近几十种可编程控制器。 在一些大型企业已广泛使用。但从总体来看，我国在p l c 技术上，无论是 制造技术还是使用的广度和深度，与先进国家相比有较大的差距，还有大量 的工作需要做。 3 低成本自动化( l c a ) 随着计算机向高速度，大容量发展，各种功能完善、但价格昂贵的计算 武汉理i 一人学硕i ：学位论文 机综合自动化系统日趋成熟完善。与此同时，困际上的又向低成本自动化方 向发展。l c a 就是一种充分利用优化控制方案，以现代技术实现常规自动 化系统中的主要的、关键的功能，而投资较低的自动化系统。 我国已在大型企业中实施，效果显著。但也存在许多具体问题，如没有 标准的、完善的硬件系统和满意的支持软件系统，没计和实施工作量大，重 复开发现象较严重。l c a 正在迅速发展，市场广阔。 另外，计算机集成制造系统( c i m s ) 和智能控制系统也是计算机控制 技术的发展和研究的重要内容。 1 3 项目来源，研究内容及研究结果 智能变频电控技术在改善电控系统与用电设备工作运行性能，省力省 电，自动控制，提高产品质量等方面都有极好效益，变频电控技术在国内外 已广泛应用，前景美好，现代智能变频电控技术的发展与应用不仅具有极大 的市场潜力，而且对电力电子技术和电力拖动与控制技术具有极大的促进作 用。受新乡自来水四厂( x i n x i n gs is h u i c h a n g ，x 2 s2 ) 之委托和社会之需 求，根据本人所学专业的学科性质与研究方向，以及导师的意见，我选定了 科研项目“x 2 s 2 智能变频电控系统”这一课题。该课题不仅具有一定的学术 价值而且具有重要的实际意义。 本文从恒压供水实现节能要求出发，利用现有设备，对新乡自来水四厂 进行智能变频电控改造，采用的是由工业计算机( i p c ) 和可编程控制器 ( p l c ) 组成的控制系统，通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能 降耗，而且有利于实现供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。设 计时将人工神经网络控制策略寓于变频控制之中，实现智能监测监视、智能 支配控制及智能变频调速，达到恒压供水运行，并运用可视化语言实现p l c 与上位工控机通讯。 论文首先介绍了相关技术的发展状况以及发展趋势，课题背景及研究意 义。然后分析了水泵调速和电机变频运行特性，论述了压力控制点的选择原 则，建立了恒压频比控制方式下的电机和变频器数学模型。论文重点介绍了 利用p l c 进行的电控系统的设计和p l c 与上位机的数据交换的通讯实现。最 后介绍了基于b p 网络p i d 控制算法，将该算法应用于恒压供水系统中。以 m a t l a b 为工具，建立算法模型和控制对象的数学模型进行仿真，通过仿真 分析了算法的阶跃响应特性，动态跟随特性以及抗干扰性。 武汉理： 大学硕士学位论文 第二章供水系统的电控目标 2 1供水系统的主要特性 2 1 1供水系统的主要参数 流量：是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是q ，常用单位 是m 3 s 、m 3 m i n 、m 3 h 等。供水系统的基本任务就是要满足用户对流量的 需求。 扬程：是单位质量的水被水泵上扬时所所获得的能量，符号是h ，常用 单位是m 。扬程主要包括三个方面。( 1 ) 提高水位所需的能量：( 2 ) 克服水 在管道中的流动阻力( 管阻) 所需的能虽；( 3 ) 使水流具有一定流量所需的 能量。由于在同一个管路中，上述的( 2 ) 和( 3 ) 基本不变，在数值上也相 对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此，在同一 管路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一个位置时，水 位地变化量( 即对应地水位差) ，用来表示扬程。 管阻：是表示管道系统( 包括水管、阀门等) 对水流阻力的物理量，符 号是r 、因为不是常数，难以简单地用公式来定量地计算，通常用扬程与流 量之间的关系曲线来描述。 压力：是表示供水系统巾某个位置( 某一点) 水压的物理量，符号是p 。 其大小在静态时主要取决与管路的结构和所处的位簧，而在动态情况下，还 与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。 转速：每分钟泵轴的旋转次数，常用1 1 表示，单位是转分( r p m ) 。 功率：泵的功率大多是指轴功率，即泵在运转时，在一定的流量和扬程 下，电动机输送给泵轴上的功率，常用n 表示，单位是千瓦( k w ) 。有效 功率是泵在单位时间内对流经泵的水做的功，可根据流量、扬程计算出来。 效率：泵在工作时，由于机械的摩擦，管路的摩擦和局部的阻力，以及 泵内液体回流和密封不严的外漏造成能量的损耗，有效功率与轴功率的比值 就是泵的效率，常用r l 表示。 2 1 2 供水系统的特性与工作点 1 泵的机械特性1 2 q 水泵属于二次方律负载，根据有关文献给出的结论可知，负载的阻转矩 丁与转速疗的二次方成正比，即有 武汉理i ：人学硕l 学何论文 t = k r 厅 式中k ，为二次方律负载的转矩常数。 负载的功率p 与转速h 的三次方成i f 比即 p - k 9 r 5 n 5 2 。n = k p 3 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 足。为二次方律负载的功率常数。 事实上，即使在空载的情况下，电动机的输出轴上，也会有损耗转矩和 损耗功率，如摩擦转矩及其功率等。 当泵的转速在某一范围内变化时，流量、扬程、轴功率有下列关系： q 沦q = n | h | h 、= b | n 嚣p | p o = b | n 0 式中为基准( 额定) 转速；疗为运行转速，q o 为时的流量，q 为盯时 的流量，日。为时的扬程，为h 时的扬程，咒为时的功率，p 为h 时 的功率。 2 扬程特性 在管路中阀门完全打开的情况下，表明扬程h 随流量q 变化的曲线( 图 1 中的曲线1 ) ，称为扬程特性曲线。流量的大小取决于用户，因此扬程特性 反映了用户的用水需求对扬程的影响。 3 管阻特性 也叫管路特性，是反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需的能 量，它和阀门的开度有关。实际上是表明当阀门开度一定时，为了提供一定 流量的水所需要的扬程( 图2 1 中的曲线2 ) 。 4 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，如图2 1 中的a 点，在这一点上，供水系统既满足扬程特性l ，也符合管阻特性 2 。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。 2 2 供水电控系统的节能原理 2 2 1 供水系统控制方式 在供水系统中，最根本的控制对象是流量。常见的方法有阀门控制法和 转速控制法。 阀门控制法：通过关小或打_ 人阀门束调4 1 “- 1 流景，而转速则保持不变( 通 - 8 ， 武汉理t _ 人学硕十学位论文 常为额定转速) 阀门控制法的实质是，水泵本身的供水能力不变，而是通过 改变水路中的阻力大小来改变供水的能力( 反映为供水流量) ，以适应用户 对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则 不变。图2 1 为水泵特性曲线，设用，o 所需流量从q a 减小为q b ，当通过 关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线3 ，而扬程特性则仍为曲线l ， 故供水系统的工作点由a 点移至b 点。这时流量减小了，但扬程却从h t 增大为h t b ；供水功率与面积o e b f 成正比。 h h t b h t a h t c o q b q a o 图2 1 水泵特性曲线 转速控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不 变( 通常为最大开度) 。转速控制法实质是通过改变水泵的扬程来适应用户 对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则 不变。当用户所需流量从q a 减小到q n ，转速下降时，扬程特性下降为曲线 4 ，管阻特性仍为曲线2 ，故工作点移至c 点。此时扬程减小为h 1 _ ( ，供水 功率与面积o e c h 成正比。 2 2 2 转速控制法节能的几个方面 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 得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h c b f 成正比。 同时在转速控制方式下，水泵的工作效率要比阀门控制方式的工作效率 武汉理j ：大学硕十学位论文 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。 采用转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速，由于电动 机在低频运行时，变频器的输出电压也将下降，从而提高了电机的工作频率。 这是变频调速供水系统的节能效果的第三个方面。 、 2 3 系统压力控制点的设置瞳4 3 恒压供水系统按照压力控制点位置不同，可分为两类：一是将控制点设 在最不利点处，直接按最不利点的水压进行工况调节；二是将控制点设于泵 站出口，按该点的水压进行工况调节，间接地保证最不利点的水压稳定。第 二种实现管理方便，但技术经济性能不十分理想。事实上，水泵出口的恒压 即意味着用户最不利点处是变压。 1 控制点设在水泵山口。压力控制点设在水泵出口，按照此压力设定变 频水泵调节值是常用方式，其工作特性曲线如图2 2 所示。图中a o 为与最 大供水量q 。对应的管路特性曲线，b o 为水泵在q 。时的特性曲线，h 为压力控制线，按与q 。相应的管路特性曲线及用户水压要求确定。在q 。 时，三条曲线交于a 点，最不利点的水压标高h o 即是要求的最低水压，没 有水压浪费。当用水量降低时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由 于采用泵出口水压恒定方式，所以其工作点始终在h 上移动，如b 点即为 相应于q i 的新工作点，相应的水泵特性曲线为b 1 ，a 则是由a o 向上平移 得到的管路特性曲线，导致最不利点水压高升为l i l ，h i h o ，二者的差值为 多余浪费的水头，另外，泵出口处恒压对用户而言是变压，水压波动范围是 h o h l ，能否保证用户的最低水压，其控制可靠性存在疑问。 h h h l h o o q lq q 图2 2 变频调节二l ：作特性曲线 武汉理j 一人学硕十学位论文 2 控制点设置在最不利点。将控制点设于最不利点，以该点水压标高 h o 为定值作为控制系统的调节目标。随用水量大小的变化调节水泵转速， 使水泵特性曲线变化，而管路特性曲线a o 恒定不变，水泵工作点始终在a o 上移动，最不利点水压不变，始终为h o 。例如供水量为q l 时，水泵特性曲 线为b 2 ，工作点为c ，供水压等于需要的水压，没有能量的浪费。与泵出 1 2 1 恒压控制相比，在同样供水量时将使水泵以较低的转速工作，消除了能景 浪费，实现最大限度的节能供水。 除此之外，在最不利点控压，还可以保证用户水压的稳定，无论特性曲 线等因素发生什么变化，最不利点的水压是恒定的，保证水压的可靠性高。 这种方式仅是改变了压力传感器的安装位置。将压力控制点设于最不利点， 无疑会更易于实现水泵在高效区运转。在实际工程中，受具体因素的限制， 不宜将压力控制点设于最不利点处。较现实的做法是在条件允许的情况下， 尽可能将压力控制点设于最不利点处。 2 4 恒压供水的特点 对供水系统进行的控制，归根到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，但扬程难以 进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力( 供 水流量) 和用水需求( 用水流量) 之问的平衡情况关系有关，即供水能力大 于用水需求时压力上升，供水能力小于用水需求时压力f 降，当两者相等时 压力不变。供水能力和用水需求之间的矛盾具体反映在水压的变化上。从而 压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。当供水系统中某处压力恒定 时，供水与用水处于平衡状态，恰好满足用户所需的用水流量，这就是恒压 供水所具有的特点。 2 5 水泵管道网络的数学模型1 水泵一管道网络的数学模型是一组偏微分方程，为了便于分析，可以用 实验的方法得到该环节的水压响应曲线，然后用恰当的线性环节去拟合。实 验表明，水泵一管道网络可以用下列传递函数描述：【1 h ( 川k 一k g s ，1 、 c o ( s ) 一1 石了 “川 式中日为水压偏差，瓦表征水流惯性时间常数，常数，足。表征水流“反 调节”作用的微分系数。 武汉理i ：人学顶十学付论文 第三章系统的变频调速模式 3 1 变频调速的特性分析n 卅“射 由电机学可知，异步电动机转速公式为： ”：6 0 f 1 ( 1 一s ) ：竺堕( 1 一s ) ( 3 1 ) p2 r i p 、 式中- ，；为电机定子供电频率；p 为电机极对数；q = 2 研为定子供电角频率 ( 角速度) ；s ：型：当二竺为转差率，其中：竺五：罂堕为同步转速。 强髓p 2 ， 由式( 3 1 ) 可知，如果均匀她改变异步电动机地定予频率f ，就可以 平滑地调节电动机地转速”。实际应用中，不仅要求调节转速，同时还要求 调速系统具有优良的机械特性。 与直流调速系统相同，在额定转速以下调速时，希望保持电机中每极磁 通量为额定值，并保持不变。如果磁通下降，则异步电动机的电磁转矩t 将减小，这样，在基速以下时，无疑会失去调速系统的恒转矩机械特性。另 外，随着电机最大转矩的下降，有可能造成电机堵转。反之，如果过分增大 磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。对直流电机， 励磁系统是独立的，很容易做到不变。在交流异步电机中，磁通是定子和转 子磁势合成产生的。因此在调速过程中不仅要改变定子供电频率，而且还要 保持( 控制) 磁通恒定。 3 1 1 v f 控制的电压频率协调控制方式 由电机学可知，三相异步电动机每相电动势的有效值是 e g = 4 4 4 z n i k i 丸 ( 3 - - 2 ) 式中，e g 为气隙在定子绕组感应电势，z 为定子频率，为每相绕组串联 匝数。k 为基波绕组系数，丸为每极气隙磁通。 由上式可知，为保证丸= c ，当频率从额定值( 基频) 向下调节时，必 须同时降低e 。，只要控制好e 。和石，便可达到控制磁通九恒定的目的。即 使 e i f , = c i 九= c ( 3 3 ) 上式中常数g = 4 4 4 k , l 。 式( 3 3 ) 表示了感应电动势有效值与频率之比为常数的控制方式。如 果采用这种控制方式，则由基频降至低频的变速控制过程中都能保持，可以 获得的控制效果，因此这是一种较为理想的控制方式。然而出于感应电动势 12 武汉理_ l ，人学硕十学位论文 难以检测和控制，实际可以检测和控制的是定子电压，因此基频以下的调速 时往往采用变压变频控制方式。 图3 一l 为异步电动机的等效电路图。稳态情况下，从异步电动机定予 绕组一相等值电路来看，每相电压和感应电动势的关系为： 6 ：主+ + 。) 五= j 2 n j 。j 。+ ( 置i l l + j 2 n f l 。j 。) ( 3 4 ) 图3 一l 异步电动机的等效电路图 生冗、 s 式中，。为励磁电流，- 为定子相电流，r 为定子每相绕组电阻，三。为定 转子之间的互感，为定子绕g 晦相漏感。 当定子频率较高时，感应f 也动势的一f j 效值也较人，这u j 可以忽略定予绕 组的阻抗压降1 1 、r 12 + x l2 ，认为定子相电压有效值u * e l ，为此在实际工 程中是以代替巨而获得电压与频率之比为常数的恒压频比控制方程式， 即为u l f , = c 丸= c 其控制特性如图3 2 ( i ) 所示。 u 1 0 0 图3 2 恒压频比控制特性 由于恒压频比控制方式成立的前提条件是忽略了定子阻抗上的压降。但 是，在频率z 较低时，由式( 3 - - 4 ) 可知，定予感应电动势有效值也变小， 武汉理工人学硕+ 学位论文 其中唯有置，一项并不减小，与巨相比，托，t 比重加大，u ，z e 不再成立， 也就是说一较低时定予阻抗不能再忽略了。为了让u f , = c 九= c 的控制 方式在低频情况下也能应用，往往在实际工程巾采用，r 补偿措施，即根 据负载电流的大小把定子相电压有效值u 适当抬高，以补偿定子阻抗压降 的影响。补偿后u f , = c 的控制特性如图3 2 ( i i ) 所示。 在频率较低时，如果不进行补偿，u l f , = ( ? 控制原则失效，异步电动 机必将处于弱磁工作状态，异步电动机的最大转矩必然严重降低，导致电动 机的过载能力下降。 3 1 2v i f 为常量控制方式的机械特性 由电机学可知，三相异步电动机在正弦波恒压恒频供电时的机械特性方 程式为 7 1 ：， 堑堕垒坐 ， t2 孤再可矿面瓦五习 ( 3 5 ) 式中，r ：为折算到定子侧的转子每相电阻，l ：。为折算到定子侧的转子每相 漏感。将式( 3 - - 5 ) 对s 求导，并令皿d s = 0 ，可以求出最大电磁转矩t 。 和对应的转差率 t 一2 邳而雨3 p u ? 面韧 3 _ 6 ) 驴丽i 丽k 2 。7 如果令s = 1 ( n = o ) ，可以求出初始起动转矩 耻一j器杀羽(3-8)cot(rt 一 + 胄：) 2 + 国? 佤。“：。) 2l 三相异步电动机的同步转速为 地：盟；一6 0 e a j ( 3 - - 3 9 一)地= 2 = ) p2 印 由以上等式可以绘出正弦波恒压恒频供电时的三相异步电动机的机械 特性曲线。 当采用恒压频比控制方式的变压变频电源供电时上述式( 3 5 ) 一式( 3 9 ) 可以改写为： 武汉理t 大学硕士学位论文 辅p 2 可可篙万可 。主p 附而丽寿面丽 曰 2 丽蓊蒿丽 耻，p ( 笥雨万 扎：盟：一6 0 0 ) i 7 z m s j m o t 。 瓦， t ， ( 3 一1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 一1 2 ) ( 3 一l3 ) ( 3 1 4 ) 图3 3电网直接供电时异步电动机的机械特性 式( 3 一l o ) 一式( 3 一1 4 ) 表明，变压变频情况下的机械特性曲线形状 与正弦波恒压恒频供电时的机械特性曲线相似。其基本特点有： 1 ) 同步转速n 与频率成正比 2 ) 列于同一转矩t 而言，转速降落疗在同一转矩下为恒值，亦即在 恒压频比条件下变频对，机械特性平行移动。 3 ) 最大转矩随；变化。当i 降低时最大转矩减小，这限制了调速系统 带负载的能力。 4 ) 当频率很低时初始起动转矩较小。 这两种情况可以通过定子阻抗压降补偿措施即适当提高电压来改善低 频时的机械特性。 武汉理1 大学硕十学位论文 3 1 3 电动机简化模型的建立 当电动机供电电源电压与频率的比始终不变时，可以建立其小偏差线性 化模型。 当电动机在稳态运行时，s 值很小，因此j q 很小，只有q 的2 - - 5 ， 可以认为s o ) l ( 厶j + l 2 d ) r 2 ，由转矩公式： t 却2 l 国l ! 璺墨! 一 b 尺。+ r ：) 2 + s 2 ? 乜。+ ：。) 2 司知转矩【以近似表刁i 为 _ p 时罢( 3 - - 1 5 ) 表明，在s 很小的范围内，只要能够保持气隙磁通不变，异步电动机的 转矩就近似于s o ) ，成正比，即与白，一) 成正比。 w p 罢= 确刊( 3 - - 1 6 ) 其中k = 卺时 c3 州， 由于电气传动系统都满足基本运动方程 t 一瓦：一j 了d o ) ( 3 18 ) 式中，j 为转动惯量。 所以在小偏差范围内，将式( 3 一1 6 ) 代入式( 3 1 8 ) 有 j c o = p k o q p k o 曲一p m ( 3 1 9 ) 式中凰= 望r 2f k 蚴o ) l oj 2 。 劬、为定子电源频率和转子电气角速度的偏差。 u ”q 。定子电源的电压和频率在静态工作点上的值。 口为极对数。 r ，折算到定子侧的转子电阻。 m 负载转矩的偏差。 对水泵类负载，其转矩与速度平方成难比，小偏差线性化后，偏差量的 关系成为： 卅= k 。珊式中k ，为常数。 武汉理i 【人学硕士学协论文 将上式代入式( 2 - - 2 2 ) 得到： j c o = 一0 , r o + p k 。b + p k o m i 转化为频域的形式则为 一 p k q k d ，b ) j s + ( p k 。+ p k 。) 1 + 乃s 其中k 。= k 。+ k 。) ，乃= a ( p x 。+ 蹦。) 3 ，2 供水电控系统中的变频器n 4 1 ( 3 2 0 ) 3 2 1 变频器的基本结构 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多 种类型的变频器，但是目前成为主流的变频器基本l 二有着图3 4 所示的基 本结构。 图3 4 变频器的基本结构 所谓变频器，就是将电网供电的工频交流电源变换成适用于交流电机变 频调速用的电压可变，频率可变的交流电的变流装置。由脉宽调制型( p w m ) 控制方式对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相 等而宽度不相等的脉冲。用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按一定 的规律对各脉冲的宽度进行调制。既可改变逆变电路输出电压的大小，也可 改变输出的频率。 本设计中采用交一直一交变频器，根据给定压力信号和反馈压力信号， 调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。如图3 4 所示，变 频器的基本构成为主电路( 包括整流器，中间直流环节，逆变器) 和控制电 路。分述如下： 1 、整流器 电网侧的变流器，作用是把三相( 也可以是单相) 交流 电整流成直流电，整流器有两种基本类型，即可控的和不可控的。 2 、逆变器负载侧的变流器，最常见的结构形式是利用六个半导体 主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的 武汉理