（检测技术与自动化装置专业论文）恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究.pdf

摘要 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 专 业 检测技术与自动化装置 硕士生 胡小红 指导老师 姜孝华教授 摘要 当前 社会经济迅速发展 人们对供水系统的性能要求不断提高 加之目前 能源日益紧缺 使得为供水系统设计高效 节能 低成本的恒压供水变频调速装 置成为一种必然趋势 本文以m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 3 f 芯片 数字信号控制器 为控制核心 采用 高性能v f 恒压频比 控制方式 设计完成了集恒压供水控制和变频调速于一 体的智能控制装置 本论文首先根据供水系统的特点 阐明了水泵调速运行的节能原理和恒压供 水原理 并采用数字p i d 设计了恒压控制器 通过对供水方案的分析比较与研究 制定了性能良好的 一控一 一台变频器控制一台水泵 联泵控制方案 该方 案将恒压控制功能内置于变频器内 通过4 8 5 总线进行联泵供水 无需外加控制 器 使系统以更简洁的硬件电路实现了一套完整的恒压供水系统的功能 且其节 能效果要优于其它控制策略 其次 分析设计了恒压供水变频调速装置的硬件电 路 并详细设计了装置的控制程序 实现了系统的恒压供水和变频调速功能 最 后 进一步研究将回归和移动平均预测算法应用到热水系统中 仿真实验表明该 预测算法能够比较准确地进行用水量的预测 可进一步提高供水系统的节能效 果 本文设计的恒压供水变频调速装置已在省内的某些小区中得到实际应用 并 取得了稳定可靠的运行效果和良好的节能效果 关键词 高性能v f 控制 恒压供水 节能控制 预测模型 r e s e a r c ho nv fs p e e dr e g u l a t i n ge q u i p m e n ta n d e n e r g y s a v i n gc o n t i o lf o rw a t e rs u p p l y m 面o r m e a s 嘶n gt e c h n o l o g y a u t o m a t e de q u i p m e n t n 锄e h u x i a o h o n g s u p e r v i s o r p r o f j i 觚gx i a o h 吼 a b s t r a c t a tp r e s e n t w i lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y e n e 玛y s a v i i l gh 嬲 r c c e i v e dr n o r ca n dm o r ea t t e n t i o n sw o r l d w i d e o n eo fm em o s t i m p o r t 锄t e n e 昭y s a v i n ga p p r o a c h e si st i l ec o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o lf o rw a t e rs u p p l ys y s t e m s o i ti si n e v i t a b l et 0s t u d yb e t t e rw a t e rs u p p l y d e v i c ew h i c hh a sh i g h p e 订d r m a n c e s 锄ds a v e sw e no ne n e r g y 锄dc o s t i n t e l l i g e n ts p e e dr e g u l a t i n g e q u i p m e n tb a s e do nd s p i c 3 3 f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i sd e s i g n e df o rc o n 嗽u l t p r e s s u r ew a t e r 鲫p p l y 锄da h i 曲p e 雨n i l a n c ev fc o n 仃o lm e t h o di si n 仃d d u c e df o rt h e d e v i c ei nm ep a p e l t 1 l i sp a p e re x p l o i e se n e r g y s a v i n gp r i n c i p l eo fp u r n pv fs p e e dc o n 缸o lf b rw a l e r s u p p l ys y s t e ma i l dt h ep r i n c i p l eo fc o n s t 卸tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ya c c o r d i n gt 0t h e c h a r a c t e r i s t i co fw a t e rs u p p l ys y s t e m ac o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l yc o n t r o l l e ri s d e s i g n e db yu s i n gp l d 锄di n l p l e m e n t e db yd s p i c 3 3 f a ni n t e l l i g e n tc o l l t r o lm e t h o d w i t hg o o dp e 响r n l 锄c e sf o rm u l t i p u m pc o n t r o li ss t u d i e d 锄dp r o p o s e d i nw h i c h o n ei n v e m rc o n t r o lo n ew a t e rp 啪pa n de v e r yi n v e r t e rc a nb es e tt ou s ea sam a m c o n t r o l l e rt or e a l i z ec o n g t a i l tp r e s s u r ec o n t r o l 向n c t i o no fw 啦rs u p p l ys y s t e m sb y u s i n g4 8 5d a t ab u st 0c o m m u n i c a t ew i m0 t h e rw a t c rp u m pi f l v e r t e r s n om o r e c o n 臼 o l l e ri sn e e d e d s o m es y s t e mc 觚r e a l i z ec o n s 切呲p r e s s u r ec o 哟 l 劬c t i o n so f aw h o l ew a t e rs u p p l ys y s t e mw i t i lf c w e rc o m p o n e n t s v h a t sm o r e i tc a ns a v ee n e r g y a b s t r a c t m o r et h 粕o t h e rp r e s e n t e dm e t l l o d s t h e nt l l ed e t a i l so ft h ec o n 仃i o ls y s t c mc i r c u i t 锄d s o r w a r ed e s i g n sa r cg i v e ni nt h ep a p e r 嬲w e l l a tl a s t m e 印p l i c a t i o no fp r e d i c t i o n m o d e lt oh o tw 舢e rs u p p l ys y s t e mi sp r o p o dt 0h p r o v ee n e 哟 一s a v i n gc o 曲 l 觚d sp r o v e dm a tr e g r e s s i v ea n dm o v i n ga v e r a g em o d e lc a np r e d i c td a t ae x a c t l y t h ei n v e r t e rc o n s t a n tp r c s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e md e s i g n e di nm i sp a p e rh a s b e c n 印p l i e ds u c c e s s 如l l yi nt h ei n d u s 仃i a ia p p l i c a t i o n s i ti ss h o w nm a tt h ec o n 协o l e q u i p m e n ti ss 协b l e c r e d i b l ea n de n e r g y s a v i l l gi sr e m a r l a b l e k e yw b r d s h i g hp e r f 0 肿a n c e sv 厅c o n 协o l c o n s t 觚tp r e s s u r e v a t e r s u p p l y e n e 玛y s a v i n gc o n t r o l p r e d i c t i o nm o d e l 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担 学位论文作者签名 胡 寸 日期 弘8 年岁月7 日 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版 有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆 院系资料室被查 阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 可以采用复印 缩印或其 他方法保存学位论文 学位论文作者签名 荡扣小 日期 o 晰多月7 日 导师签 日期 第l 章绪论 第1 章绪论 随着变频技术的发展以及人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断 提高 变频恒压供水系统以其节能 环保和高品质的供水特点 广泛应用于多层 住宅小区及高层建筑的生活 消防供水中 变频恒压供水的调速系统可以实现水 泵电机的无级调速 根据用水量的变化自动调节系统的输出 保持水压的恒定以 满足用水要求 同时具有各种保护功能 是当今最先进 最合理的节能型供水系 统 对于变频技术相对比较落后的中国来说 研究设计智能恒压供水变频调速装 置对推进恒压供水控制的智能化以及调速技术的高品质方面意义重大 同时对降 低成本 保证产品质量等也有着重要意义 1 1 研究背景及意义 1 1 1 恒压供水变频调速装置产生的背景及意义 水是生命之源 是人们在生产生活中不可缺少的重要组成部分 在节水节能 己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 楼宇 小区 高层建筑供水等方面一直都存在一些问题 主要表现在用水高峰期 常常出现水压降低供不应求的现象 而在用水低峰期 也经常出现供过于求的情 况 这将会造成能量的浪费 同时有可能使水管爆破从而损坏用水设备 然而 随着城市建设的不断发展和住宅开发的不断深化 供水方式也在不断发生变化 总的来说 楼宇的供水有两种方式 屋顶水箱供水和变频供水 其趋势也将朝着 节能型变频供水方向发展 下面逐一分述这两种供水方式 1 屋顶水箱供水 屋顶水箱供水是目前比较常见的一种方式 尤其对于六层以下的多层住宅和 建设较早的高层住宅来说使用得非常普遍 屋顶水箱供水主要通过设立在楼顶的 屋顶水箱 由泵房将水抽到屋顶水箱 再回流下来满足各层用水 屋项水箱供水最大的弊端就是二次污染问题 长期使用如果不注意箱内清 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 洁 将无法保证用水的卫生质量 另外 这种供水方式对建筑物的造价与设计都 有影响 同时水箱受建筑物的限制 容积不能过大 所以供水范围较小 水箱的 水位监控装置也容易损坏 这种系统的开 停 将完全由人工操作 使系统的供 水质量下降且能耗增加 2 变频供水 变频供水就是取消了屋顶水箱 居民生活用水直接由设立在小区的变频泵房 输入 从而大大提高了用水质量 也称二次增压供水 一般设有地下生活水池一 座 集中恒压变频供水 不设屋顶水箱 最不利的用水点是顶层住宅 用水量大 时用多个水泵控制 夜间用水量小时主泵自动切换到副泵 以维持系统压力基本 不变 变频调速式的供水系统运行十分稳定可靠 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 由 于调速式供水方式是经水泵加压后直接送往用户的 防止了水质的二次污染 保 证了饮用水水质的可靠性 此外 变频调速恒压供水方式还具有如下优点 l 1 起动平稳 起动电流可限制在额定电流以内 从而避免了起动时对电网 的冲击 2 由于泵的平均转速降低了 从而可延长泵和阀门等设备的使用寿命 3 可以消除起动和停机时的水锤效应 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 具有非常广阔的应用前景和明显的经 济效益与社会效益 1 1 2 预测算法对供水系统节能控制的意义 近年来 随着城市能源结构的调整 集中住宅小区 集体宿舍 酒店宾馆等 人口密集区域对大规模太阳能热水工程的需求迅速增加 与家庭单元式的太阳能 热利用方式相比 大型集中太阳能热水工程投资成本更低 运行效率 供热可靠 性 与建筑物结合及安全性等方面优势明显 是目前太阳能热利用技术的重要发 展方向之一 2 1 目前大部分热水节能控制系统都是采用太阳能热水器 辅助电加 2 第l 章绪论 热 燃油炉 燃气炉加热的热水系统 其经济效益 与之前单纯的电热加热系统 燃油炉加热系统或者是燃气炉加热系统相比 都有了显著的提高 3 1 这些现象表 明 太阳能热利用技术成了目前热水系统中研究节能控制的重点 除此之外 准确地分析 研究各用水系统中用水量的变化 建立正确合理的 数学模型 进行用水量预测 对于有效利用有限的水资源 避免水资源的浪费和 能源的紧缺现象也具有非常重要的意义 首先 准确的预测需水量 实现供给量 与需求量的平衡 可以更方便的进行水资源的调度 避免水资源的浪费 其次 若将预测模型运用到热水系统中来 不仅可以避免水资源的浪费 而且可以大大 节省加热一部分多余冷水所耗费的能量 因为在热水系统中 其供水是通过加热 热水水箱中定量冷水来向用户供应热水的 多余的热水又将通过回水管道流回水 箱 到第二天冷却后又需重新加热 然而 到目前为止 热水系统的节能控制大都是利用太阳能 而对需水量预 测模型的研究都是将其应用放在城市的用水量调度方面 4 引 没有人研究将预测 模型运用到实际的热水供水系统中来 本论文针对目前这种情况 提出了将预测 算法的研究运用到实际的日常热水供应系统中来 并进行了研究探讨 对推动节 能控制的进一步研究有着重要的意义 1 2 恒压供水变频器研究现状 妇 变频器自二十世纪六十年代问世 到二十世纪八十年代在主要工业化国家已 得到广泛使用 但中国变频器行业起步较晚 二十世纪九十年代 变频器才得以 大规模进入中国 且大部分市场份额均由国外变频器厂家占领 最近十年来 国 内变频器厂家不断涌现 由于国产厂家制造变频器历史比较短 技术积累相对较 少 使得整机技术落后 在变频器总体性能方面来说 距离国外变频器还有一定 的距离 当然 其价格相对来说也较为便宜 目前大部分变频器都还是采用v f 控制方法来实现 对于先进控制策略的变频器 只有少数国内厂家具有开发能力 本论文所研究的高性能v f 控制算法 具有很好的静态性能 是一种实用可靠的 先进控制策略 其性能完全能满足恒压供水的要求 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 在早期 由于 国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制 升降速控制 正反转控制 起制 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 动控制及各种保护功能等方面 应用在变频恒压供水系统中 变频器仅作为执行 机构 为了满足供水量大小需求不同时 保证管网压力恒定 需在变频器外部提 供恒压控制器 随着变频技术的发展 变频恒压供水系统的稳定性 可靠性以及 自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后 国外许多 变频器生产厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器 像日本s a m s c o 公司 就推出了恒压供水基板 备有 变频泵固定方式 变频泵循环方式 两 种模式 它将p i d 调节器和p l c 可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上 通过设置指令代码实现p l c 和p i d 等电控系统的功能 只要搭载配套的恒压供 水单元 便可直接控制多个内置的电磁接触器工作 可构成最多7 台水泵的供水 系统 这类设备虽微化了电路结构 降低了设备成本 但其输出接口的扩展功能 缺乏灵活性 系统的动态性能和稳定性也不高 并且用一台变频器循环启动多台 电动机的方案 在由变频器切换合闸时会引起电流及转矩冲击 对变频器 电动 机及切换电器均不利 目前国内也有不少公司在做变频恒压供水的工程 国内的恒压供水变频器大 多采用国外的变频器控制水泵的转速 采用可编程器件 p l c 或单片机及相应 的软件实现对水管管网压力的恒压控制及多台水泵的循环控制 但在系统的动态 性能 稳定性能 抗干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 其成本相对来说也比较高 艾默生电气公司和成都希 望集团也推出了恒压供水专用变频器 无需外接p l c 和p i d 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 但其控制不够灵活 同时操作不方便且 不具有数据通信功能 使得各泵之间的动作匹配也不够协调 因此只适用于小容 量 控制要求不高的供水场所 可以看出 目前在国内外恒压供水变频调速控制系统的研究设计中 对于具 有先进控制策略 结合现代控制技术 通讯技术的变频调速恒压供水系统 特别 是在变频调速控制方式和联泵恒压控制策略的研究上 研究得还不够 因此 有 待于进一步研究改善变频调速的性能及恒压供水的智能控制策略 使其能被更好 的应用于生产 生活实践中 4 第l 章绪论 1 3 本文的研究内容及创新点 1 3 1 本文的研究内容 通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知 变频调 速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势 本文研究的目标是将变 频技术及恒压控制集于变频器一身 实现全自动控制 另外 还对传统的 f 控 制方式进行改进 使变频器具有更好的机械特性及 无跳闸 能力 使系统的稳 定性和节能效果进一步提高 操作更加简捷 故障报警及时迅速 同时具有联泵 数据共享功能 该系统可以用于住宅 宾馆饭店 工矿企业的生产生活给水及增 压 空调 采暖的给水系统 环保水处理 以及各种需要恒水压 变流量给水的 场合 尤其是对传统供水系统的更新改造 除此之外 本论文还对供水系统中的 预测算法进行了一定程度的研究 以实现供水系统更加出色的节能控制 本文研究的主要内容如下 1 研究交流变频调速p w m 控制方法 分析设计实现了高性能v 厅控制 2 分析变频恒压供水系统的组成及特点 探讨变频恒压供水系统的控制策 略 并归纳实用性的控制方案 3 具有变频调速与恒压控制功能的变频器系统 功能 软件 硬件组成等 设计 包括硬件组成 功能 软件的详细设计 4 热水系统节能预测控制方法的研究 对给定的数据进行预测仿真 并设 计一个较为实用的预测模型 5 将该变频装置运用到实际系统中 测试其性能 1 3 2 本文的创新点 本文的创新之处有 1 使用d s p i c 3 3 f 芯片实现了可联泵恒压供水的变频调速装置 国内的供水系统一般都是采用由变频器作为执行机构 外接p l c 或单片机 等恒压控制器接组成的 在本论文中 仅使用一片主控芯片 设计实现了带恒压 供水功能的高性能v f 变频调速装置 而且只要连接通信线 便可实现多泵联合 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 供水 其结构简单 性能价格比高 2 提出了一种改进节能控制的新方法 将预测控制运用到热水系统中 目前关于用水量预测研究都是将其应用放在用水量调度方面 没有人将预测 方法运用到热水系统中 本文分析了将预测算法运用到热水系统中的优势 并将 回归预测与移动平均预测相结合 仿真实现了一种较为实用且能比较准确的进行 用水量预测的预测模型 并探讨了预测控制在热水系统中的实用性 1 4 本文的组织结构 本文总共分为6 章 第l 章 绪论 介绍本课题的研究背景意义及目前的研究现状 并概述了本 文的主要研究内容及创新点 第2 章 交流变频调速理论分析 首先概述交流变频调速技术 阐明交流变 频调速的原理 然后介绍了交流变频调速的关键技术p w m 调制技术 并详细分 析了高性能v f 控制方式的理论实现过程 第3 章 恒压供水变频调速系统整体设计与硬件实现 根据供水系统的特点 阐明水泵调速的节能原理 接着阐述恒压供水原理 并设计了p i d 控制器作为恒 压控制器 然后分析设计联泵供水的控制方案 并对两种控制方案做了比较 最 后分析设计了变频装置的控制电路部分的硬件电路 第4 章 恒压供水变频调速装置系统软件设计 从主程序到恒压供水及变频 调速功能的实现 本章都给出了详细的设计过程 同时也给出了显示 键盘 保 护模块及读写1 2 c 模块的实现流程 第5 章 预测算法的研究 简述了用水量预测研究方法 仿真实验了回归模 型和移动平均模型对用水量的预测 并设计了一种将这两种方法相结合的较为实 用的预测模型 最后对预测算法在热水系统中的应用做了一些探讨 第6 章 对全文进行了结论及展望 总结了本文所做的工作 弗给出了对将 来研究的展望 6 第2 章交流变频调速技术 第2 章交流变频调速技术 2 1 交流变频调速技术简介 近年来 由于变频调速的关键性技术取得了突破性进展 即电力电子器件的 制造技术 基于电力电子电路的电力变换技术 交流电动机的矢量变换控制技术 直接转矩控制技术 p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 技术以及以微型计算机和 大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等的发展 交流变频调速得到迅猛发 展 1 2 1 目前 交流变频调速技术从其控制技术上分 可以分为 1 0 1 f 控制 按照一定的电压 频率关系对变频器的频率和电压进行控制 称为v f 控制 方式 基频以下可实现恒转矩调速 基频以上则可以实现恒功率调速 转速的改 变是通过改变频率的设定值来实现的 负载变化时 在设定频率不变条件下 转 子转速将随负载转矩变化而变化 故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变 动较小的场合 v f 控制是转速开环控制 无需速度传感器 控制电路简单 负载可以是通 用标准异步电动机 所以通用性强 经济性能好 是目前通用变频器产品中使用 较多的一种控制方式 2 转差频率控制 v f 控制方式下 如果负载变化 转速也会随着变化 转速的变化量与转差 率成正比 v f 控制的静态调速精度显然较差 为提高调速精度 采用转差频率 控制方式 根据速度传感器的检测 可以求出转差频率 再把它与速度设定频率相叠加 以该叠加值作为逆变器的频率设定值 就实现了转差补偿 这种实现转差补偿的 闭环控制方式称为转差频率控制方式 与v f 控制方式相比 其调速精度大为提 高 但要使用速度传感器求取转差频率 要针对具体电动机的机械特性调整控制 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 参数 因此这种控制方式的通用性较差 3 矢量控制 上述的v f 控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动机 的静态数学模型上 因此 动态性能指标不高 对于轧钢 造纸设备等对动态性 能要求较高的应用场合 可以采用矢量控制 采用矢量控制方式的目的 主要是为了提高变频调速的动态性能 根据交流 电动机的动态数学模型 利用坐标变换的手段 将交流电动机的定子电流分解成 磁场分量电流和转矩分量电流 并分别加以控制 即模仿自然解耦的直流电动机 的控制方式 对电动机的磁场和转矩分别进行控制 以获得类似于直流调速系统 的动态性能 2 2 交流变频调速原理 由交流异步电动机的转速公式 坐 1 一s p 2 一1 其中s 业为转差率 啊为同步转速 p 为极对数 s 为转差率 f 为定 厅l 子供电频率 可得出异步电动机有三种调速方式 变频调速 变转差率调速 变极调速 其中变频调速方式以其优越的性能应用得最为广泛 在变频调速过程中需同时调整电压以保证磁通恒定 从而保持电动机的机械 特性恒定 因为 磁通太弱 铁心利用不充分 同样的转子电流下 电磁转矩 小 电机的负载能力下降 磁通太强 则处于过励磁状态 使励磁电流过大 这 就限制了定子电流的负载分量 为使电动机不至于过热 负载能力也要下降 由电机理论可知 三相异步电动机定子每项电动势的有效值为 1 3 互 4 4 4 石 l 2 2 式中五为定子每项由气隙磁通感应的电动势的方均根值 z 为定子频率 l 为定子项绕组有效砸数 为每级磁通量 3 第2 章交流变频调速技术 由此可见 气隙磁通是由最和石共同决定的 要保持西 不变 只要保持 巨 石为常数 但巨难于直接控制 当臣和石都较高时 定子的漏阻抗相对比较 小 可以忽略不计 可近似认为u 等于互 从而保持u z 为常数即可 当频率 较低时 定子漏阻抗不能忽略 可适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响 使气隙磁通基本保持不变 所以异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频 率 实现所谓的v f v 缸i a b l ev o l 协g ev 打i a b l ef r e q u e n c y 2 3p 耽控制技术基本原理 变频器就是将一定频率和幅值的交流电压转换为频率和交流幅值可调节的 交流电压的装置 因此上述所说的变频实际上就是要实现变频变压 而要实现变 频变压的关键技术就是p w m 技术 p 删 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 技术是根据冲量相等而形状不同的窄脉冲 加在具有惯性环节上时 其效果基本相同这一理论基础 对半导体开关器件的导 通与开断进行控制 用这些脉冲代替正弦波或其他所需要的波形 按照一定的规 则对各脉冲的宽度进行调制 即可以改变逆变电路输出电压的大小 也可以改变 输出频率n 钔 目前使用较广泛的是正弦波脉冲宽度调制技术 s p w m 其调制波为正弦信 号 原理如图2 1 所示 s p w m 的输出电压基波频率等于调制波频率 输出电压 的幅值可由调制度m 来控制 这样 通过控制m 和调制波频率可实现v v v f 图2 1 正弦波脉冲宽度调制技术原理图 9 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 s p w m 逆变器的性能与两个重要参数有关 即调制比朋和载频比k 其定 义分别为 聊 坠 2 3 k 五 生 三 2 4 f t c 一参考信号 的幅值 频率 z 一载频信号 的幅值频率 在调制过程中视载频比k 是否改变 可以分为同步调制和异步调制 保持足 不变 则称为同步调制 反之 则为异步调制 同步调制的优点是可以保证输出 波形的对称性 但在逆变器低频运行时 k 值会过小 导致谐波含量变大 使电 动机的谐波损耗增加 转矩脉动增加 异步调制则没有此缺点 但可能使k 出现 非整数 相位可能连续漂移 且正 负半波不对称 但如果k 值足够大 其问题 就可以忽略了 15 1 2 4 普通功能型v f 控制与高性能v f 控制 2 4 1 普通功能型v 啦制0 1 0 1 6 l 目前 市场上大部分变频器都采用普通功能型v f 控制 这种控制多采用1 6 位c p u 属于近似的恒气隙磁链控制方式 所采用的控制方式是用如图2 2 所 示的函数关系 在低频下提高定子电压 以加大临界转矩乙 扩大稳定运行范 围 改善启动特性 这实际上就是通过v f 曲线的模式实现e c 的控制方式 u 图2 2v f 关系曲线 l o 第2 章交流变频调速技术 另外 为适应不同型号的异步电动机和不同的生产机械 通常通过两种方式 来提升转矩功能 1 在存储器中存入多种v f 函数的不同曲线图形 选择合适的v 仃曲线 这 种方法的缺点是很难根据负载转矩的变化恰当的调整电动机的转矩 且无法实现 转矩控制 还会由于启动转矩不够而产生过电流 2 电压补偿 根据定予电流的大小自动补偿定子电压 由于定子电流不总 是与转子电流成正比 所以根据定子电流调节变频器电压的方法 并不反映负载 转矩 因此 定子电压也不能够根据负载转矩的改变而恰当的改变电磁转矩 特别是在低速下 定子电压的设定值相对较低 上述两种办法实现准确的补 偿都是困难的 由于定子压降随负载变化 当负载较重时可能补偿不足 负载较 轻时可能产生过补偿 磁路过饱和 这两种情况均可能引起变频器的过电流跳闸 这是这种控制方式的第一个缺点 采用普通功能型v f 控制方式 无法准确的控制电动机的实际转速 设定值 为定子频率而电动机的转速由转差率 负载 决定 所以这种v 厅控制方式的静 态稳定性不高 这是它的第二个缺点 转速很低时 转矩不足 这是它的第三个 缺点 2 4 2 高性能v 啦制 1 6 1 7 上述的普通功能型v 厅控制的缺点 都是由于变频器没有转矩控制功能引起 的 为提高静态稳定性 加大调速范围 改善起动性能 并避免不必要的过电流 跳闸 人们采取一系列的措施 其着眼点都在于实现转矩控制功能 所谓高性能 v f 方式 是指具有转矩控制功能的v f 控制方式 本课题中采取的高性能v f 控制方法是将p w m 控制与转矩控制相结合 其 原理图如图2 3 所示 主要由p w m 控制及转矩控制两大部分组成 整个系统只 需增加定子电流传感器 其中p w m 控制有不同的载波频率可供选择 使得电机能在大频率范围内稳 定运行 而转矩控制功能由有功 无功电流检测器 磁通补偿器 转差补偿器 限流控制器组成 后三者的作用是根据定子电流的有功分量t 和无功分量l 去计 算变频器的频率参考值和电压参考值 以保证转子磁通的恒定 并在负载出现冲 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 击的情况下 适当的补偿中 以防止过电流跳闸 图2 3 高性能v f 控制的原理框图 1 转矩控制功能 当变频器驱动不同类型的异步电动机时 根据电动机的特性对压频比的值进 行恰当的调整是十分困难的 一旦电压不足 电动机将不能产生与负载成正比的 电磁转矩 因此 无论多大的负载转矩都必须使电动机产生的转矩随负载转矩变 化 电动机的电磁转矩丁为 丁 孕 私 2 吲 2 只 式中 一异步电动机转子全磁通 纰 聋专差角频率 磁极对数 第2 章交流变频调速技术 吒一转子电阻 如果转子磁通恒定而不随负载变化 电磁转矩r 与转差角频率锡 即负载 转矩成正比 转矩控制部分利用磁通补偿器和转差补偿器来调整斤和研 以 保证转子磁通恒定 如果电动机的转矩超过最大允许值时 电动机将失步 变频 器也会跳闸 因此设置了抑制过电流的电流限制器 它可以保证转矩或电流不超 出允许值 实现挖土机特性 2 定子有功 无功电流的检测 异步电动机的等效电路图如图2 4 所示 a 等效电路b 矢量图 图2 4 经过变换的异步电机得等效电路和矢量图 s 一转差率 i 一电子电阻 一定子漏感 乙一励磁电感吒一转子电阻乞一转子漏感 厶 l 厶 厶 乞巧 乙 乞 乞e 已 厶巧 厶 如 2 吃 其中立是转子电流的有功分量 即转矩分量 宅为磁场电流分量 根据上述等效电路 转差角频率哆和转子磁通 可如下计算 哆 恕e 2 6 玉生 2 7 1 互p 式中 恕 吒 厶 乞 疋 e 已 l 乞 互一是转子时间常数 互 l 乞 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 p 一拉晋拉斯算子 如果有功电流e 和磁场电流l 可以检测的话 则哆和 可由式 2 6 和 2 7 求出 互和l 的检测方法 可采用一种替代的方法 根据定子电压的相位把定子 电流分解成与定子电压平行且与转子有功电流e 成比例的 和定子电压垂直且 与转子电流的无功分量l 成比例的l 如图2 4b 所示 由于定子电压的相位 可由p 删控制电路中的调制波形的角度来获知 仅定子侧电流需要检测 3 磁通控制 图2 3 中 进入磁通补偿器的信号 足为转子磁通的设定值 l 作为转子磁 通实在值的反馈信号 反映负载转矩并作为磁通补偿控制的控制信号使用 控制电路中转子磁通的参考值 由如下关系式决定 咚 一 协8 一卟急 沿 式中 一补偿 的p i 调解器的输出值 l 一定子电流有功分量的最大值 足一转子磁通的外部设定值 磁通补偿器的结构如图2 5 所示 图2 5 磁通补偿器的结构 1 4 第2 章交流变频调速技术 磁通补偿的目的是用补偿转子磁通的参考值m 的去抑制由于负载冲击所引 起的转子有功电流的突变 以使励磁电流不至于减少 当负载转矩在小于转子时 间常数的较短时间内变化时 式 2 8 的第二项随负载转矩的变化而变化 尽 管 m 变化较慢 磁通补偿抑制跳闸的原理 如图2 6 没有磁通补偿 转矩增加 定子电流 迅速增加到图中负载转矩正 上的c 点所示的值 这是由于负载增加励磁电流随 之减少所造成的 由式 2 8 可知 尽管负载转矩突然增加 由于定子电流的 有功分量 可以调节哦 所以可以防止励磁电流的减少 定子电流将由a 点移 到b 点 跳砸受到了抑制 即使负载转矩不变 由于变频器运行频率的减小也可 能使磁通减小 但这种减小可由式 2 9 的关系得到补偿 保持电动机的 c t l 彳 墨髫 焱 霹 裂 伽r l m 巾2 茏功屯流 转予磁通 图2 6 当负载突然变化时磁通控制的原理 4 转差补偿 如果转子磁通由于磁通补偿的结果总保持为常数 则电磁转矩和转差频率成 正比 因此 靠变频器的频率参考信号彳 可以与负载转矩成正比地去调整电动 机的电磁转矩 彳 的调整可以由定子电流有功分量 即负载转矩 所决定的 转差频率的设定值z 来控制 且用如式 2 一l o 和式 2 一1 1 计算 2 1 0 石 厶 夕 l 2 1 1 1 5 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 式中 彰 吒 厶 之 l 厶 变频器频率的外部设定值 如图2 3 所示 当 厶时 转差频率的补偿式就按上式关系进行 即负载 增加 石 随之自动增加 加大运行转差率提高电磁转矩 在恰当的补偿下 不 使用速度传感器 即可实现对转速较精确的控制 5 电流限制控制 这种控制的目的是使电动机能发出某一最大转矩 并且不论负载有多么重 变频器也不会跳闸 当负载特别重 比如说 已经大于可允许的l 那么转差频 率变得特别大 结果定子电流 o c 1 互哆 2 将升到跳闸保护的水平 并且变 频器发生跳砸 重载情况下 若采用电流限制器将十分有效 无论负载多么重 也不会跳闸 变频器中逆变器的输入功率己由下式给出 圪 岛厶 q z 耳 2 万石 m 2 1 2 式中 k p 3 厶 乞 l 毛一逆变器输入电压 l 一逆变器输入电流 蛾一电动机转子旋转角频率 在式 2 1 1 中 实际是假定逆变器的输入功率等于电动机的轴功率 忽略 了逆变器和电动机的损耗 同时还假定同步角频率q 2 万z 7 和转子角频率 以相等 即认为逆变器运行频率远高于转差频率 由于问题的着眼点仅是抑制 由于过载所造成的过电流跳闸 所以上述假定是允许的 如果在直流侧大电容的作用下日恒定 并且在式 2 8 和式 2 9 的基 础上 电动机的 也恒定 那么逆变器的输入电流l 将与oz 两者之积成正 比 因此无论负载怎么重 当 增大到大于乞时 随着 的增加协调的减小频率 1 6 第2 章交流变频调速技术 的设定值石 总可以使厶 芘 石 限制在特定的水平以下 不致发生跳闸 假定 恒定 当 l 时 可利用如下两式来实现电流限制功能 z 厶一如 乞 2 一1 3 如 南 1 4 式中 五 墨 以 出 1 其中的墨是可以确定的可调增益 可根据所用电动机的特性适当改变 时 间常数正随 的变化率而改变 当负载冲击剧烈而啦 西较大时 互将减小 以 加快石 的跟踪速度 迅速的抑制逆变器输入电流厶的增长 电流限制器可以控制 电流 使之保持在最大可能值上 即使很重的负载加 到电动机上 电动机也可以发出最大转矩k l 并实现挖土机特性 定子电流有功分量的最大值l 可根据电动机和变频器的容量人为地设定 变频器的主开关器件是半导体器件 承载能力是有限的 l 的设定主要依据变 频器的电流过载倍数 为保证上述转矩控制功能的实现 应恰当的调节定子电压和频率 参考值研 由式 2 1 5 确定 研 2 万石 垂2 2 1 5 即转矩控制功能的实现是通过控制研和石 之间的关系实现的 仍属于v f 控制方式 采用这种控制方式的优点是 可使极低速度下的转矩过载能力达到或超过 1 5 0 电动机的静态机械特性的硬度高于在工频点网上运行的自然机械特性的硬 度 具有挖土机特性和 无跳闸 能力 基于上述分析的高性能v f 控制方式的优点 比较普通功能型v f 控制方式 的三个缺点 本文采用了高性能v f 控制作为变频调速的控制方式 1 7 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 2 5 本章小结 本章首先对交流变频技术的几种控制方式进行了概述 然后简单介绍了交流 变频调速的工作原理并阐述了其关键技术p w m 调制的原理 最后集中分析v f 控 制方式 总结了高性能v f 控制及普通功能型v f 控制各自的优缺点 并详细分 析了高性能v f 控制的工作原理及实现过程 第3 章恒压供水变频调速装置系统设计及硬件实现 第3 章恒压供水变频调速装置系统设计及硬件实现 3 1 供水系统的基本特性与水泵调速节能原理 3 1 1 供水系统的基本特性 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保 持一定为前提 表明水泵在某一转速下扬程日与流量q 之间的关系曲线 q 如图3 1 所示 图3 一l 供水系统的基本特点 从图3 1 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 映的是扬程日与用水流量q 之间的关系 是以水泵的转速恒定为前提 表明阀 门在某一开度下 扬程日与流量q 之间的关系日 q 管阻特性反映为了维 持一定的流量而必须克服管阻所需的能量 实际上是表明当阀门开度一定时 提 供一定流量的水所需要的扬程 由图3 1 可知 在同一阀门开度下 扬程日越大 流量q 也越大 因此 管阻特性所反映的是扬程与供水流量q c 之间的关系 1 9 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 日 q 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3 l 中的a 点 在这一点上 用户的用水流量包和供水系统的供水流量q 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 系统将稳定运行 3 1 2 水泵调速运行的节能原理 在供水系统中 以流量为控制目的 常用的控制方法为阀门控制法和转速控 制法 阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量 而水泵电机转速保持不变 其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量 因此 管阻将随阀门开度的改 变而改变 但扬程特性不变 由于实际用水中 需水量是变化的 若阀门开度在 一段时间内保持不变 必然会造成超压或欠压现象 转速控制法是保持阀门开度 不变 通过改变水泵电机的转速来调节流量 实际上是通过改变水的动能改变流 量 因此 扬程特性将随水泵转速的改变而改变 但管阻特性不变 变频调速供 水方式属于转速控制 其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机 的转速 使管网压力始终保持恒定 当用水量增大时电机加速 用水量减小时电 机减速 h m h 图3 2 管网及水泵的运行特性曲线 变频装置的恒压变流量特性 即h q 特性曲线如图3 2 所示 假设供水压力 恒定于h a 时 当流量由q a 变小至q l 时 压力会上升至b 处 由于压力传感 器接收到压力上升信号 通过变频调速将泵转速降至1 1 2 使压力维持在b 点 第3 章恒压供水变频调速装置系统设计及硬件实现 保持在h a 轴线上 起到恒压作用 同样 当流量进一步减少至q 2 时 压力升 至c 处 泵转速也跟着降低至n 3 压力维持在c 点 仍保持在h a 轴线上 从 图中可以看出 泵转速降低后 实际上节省了b b c c 这段不必要的压力上 升所引起的能量消耗 根据水泵变速运行的相似定律 变速前后流量q 扬程h 功率p 与转速n 之间关系为 署 云每 云 2鲁 吾 3 c 3 一 一 一一 l l一 l l i 一 j q i啊ql 啊 互l 啊 水的流量与转速成正比 扬程与转速平方成正比 轴功率与转速的三次方成 正比 而供水功率p 又与流量q 和扬程h 的乘积成正比 即 p e 地 3 2 式中c 为比例系数 当泵流量用阀门控制与泵转速控制相比时 其轴功率与节能的关系如图3 3 图3 3 轴功率与流量关系图 曲线l 改变转速时的轴功率与流量的关系 曲线2 阀门控制时的轴功率与流量关系 阀门开度减小时 轴功率也有所 减小 恒压供水变频调速装置及其节能控制方法的研究 图3 3 中 p p 2 一p l 按照上述原理可作近似的节能估算 p p h 0 4 0 6 q 一q 根据上式可得出节能估算表如表3 1 所示 表3 1 节能估算表 3 3 3 4 q 或n o l o 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l o o p p h o 40 4 6o 5 lo 5 7 7o 5 7 6o 5 7 5o 5 4 4o 4 7 7o 3 6 8o 2 l lo 平均节能o 4 l p h 通过上述分析可知 使用变频调速恒压供水装置具有相当可观的节能效果 如果在水泵系统中采用调速技术 使系统能根据需要运行 将提高效率 减少浪 费 使水泵的电耗明显下斛18 1 应该注意的是 采用调速的方法节能时 其最低 转速一般不应低于额定转速的4 0 否则水泵效率会明显下斛19 1 3 2 恒压供水原理及其控制器的设计 3 2 1 恒压供水原理 恒压供水控制装置以供水出口管网水压为控制目标 在控制上实现出口管网 的实际供水压力跟随设定的供水压力 从恒压控制的原理图 图3 4 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偏差 这个差值经过计算 转 换得到变频器输出频率的增加值 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 增加的频率输出值将减小实际供水压