变频调速技术在恒压供水系统中的应用论文.doc

目 录第一章 绪 论- 1 -1.1 变频恒压供水产生的背景和意义- 1 -1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状- 1 -1.3 课题设计内容- 2 -第二章 变频恒压供水系统总体设计- 2 -2.1 工作原理- 2 -2.2总体设计- 3 -第三章 可编程控制器(PLC)- 4 -3.1 PLC的定义及特点- 4 -3.2 PLC的工作原理- 5 -3.3 PLC及压力传感器的选择- 5 -第四章 变频器的介绍- 5 -4.1 变频器简介- 5 -4.2 变频器选型- 7 -第五章 结论- 10 -5.1本系统具有以下的特点:- 10 -5.2 展望- 10 -后 记- 11 -参考文献- 12 -变频调速技术在恒压供水系统中的应用第一章 绪 论1.1 变频恒压供水产生的背景和意义我国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，工业自动化程度低。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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十稳定可靠，没有频繁的启动现象，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，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、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。随着自动控制和电力电子技术的飞速发展，智能型控制器件和变频装置的功能也越来越强，充分利用各种先进技术，合理设计变频恒压供水设备，对降低成本、节约能源、提高供用水质量有着非常重要的意义。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状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、起制动控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。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压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资高。随着变频技术的发展和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，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像法国的施耐德公司，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，基于可编程控制器的变频恒压供水系统的设计它将PID调节器和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可编程控制器和PID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台电机(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不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前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。原深圳华为(现已更名为艾默生)电气公司和成都希望集团也推出了恒压压供水专用变频器(5.5kw-22kw)，无需外接可编程控制器和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。1.3 课题设计内容 经过系统调研和分析，并结合需方的实际要求，本次研究的主要内容是基于PLC、变频器件的变频恒压供水系统的设计。整个系统的控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能。论文主要对以下内容进行描述:(l)论文在对课题进行分析的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法。(2)分析了变频恒压供水系的原理，给出了恒压供水的理论模型;确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理;最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。(3)介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。压力变送器采样管网压力信号并经PID处理传送给变频器，变频器根据输入模拟量的大小来调整水泵电机转速，保证管网压力恒定。对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。第二章 变频恒压供水系统总体设计21 工作原理个实际的供水系统，由于供水网较大，系统需要供水量每小时开2台水泵向管网充压，供水量大时，开3台泵同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。本控制系统是对现场恒压供水系统的模拟，控制核心单元PLC根据压力设定信号与现场压力的反馈信号经过PLC的分析和计算，将控制信号送到PLC的输出端口，通过开关量驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机的台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入的电机的台数和控制电机组中每台电机的工作状态，使供水系统的工作压力恒定，进而达到恒压供水的目的。2.2总体设计一结构设计以项目建设目标为基本原则，图2-1构建了一个基于PLC的变频恒压供水自动控制系统：图2-1二系统结构组成按上述结构的成套控制装置主要包括:1.可编程序控制器(PLC)。2.变频器(VVVF)。3.计算机(PC)。4.水压传感器及变送器。5.液位开关和压力继电器。6操作环节。7.系统软件。系统以PLC为核心，其输入信号主要包括:1.模拟量输入:管网的当前压力(4-20mA，0-5V)。2.数字量输入:进水压力继电器;水箱水位;出水压力继电器;电机的过载保护;变频器故障;工作方式选择;手动操作的按钮(旋钮信号)等。PLC的输出主要控制下列对象:1.用于各水泵电机工、变频工作的中间继电器、交流接触器;变频器启动、停车、故障复位的开关量信号。2.操作状态切换的中间继电器。3.变频器频率给定的模拟量信号(0-10V)。第三章 可编程控制器(PLC)3.1 PLC的定义及特点可编程序控制器(program logical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求;再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。PLC的特点如下：一、可靠性1、所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电 气上隔离。2、各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.3、各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。4、采用性能优良的开关电源。5、对采用的器件进行严格的筛选。6、良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措 施，以防止故障扩大。7、大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。二、丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如： 交流或直流； 开关量或模拟量； 电压或电流； 脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如： 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。三、编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。四、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。3.2 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。3.3 PLC及压力传感器的选择水泵M1、M2、M3可变频运行，也可工频运行，需要6个输出点，根据系统设计要求需要五个输入点，则选择西门子的S7-200系列PLC。压力传感器采用CY-YZ-1001型绝对传感器。该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力-电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。传感器的量程为02.5MPa，工作温度为560，输出电压为05V，作为本系统的反馈信号供给PLC。第四章 变频器的介绍4.1 变频器简介一、 变频器的基本结构与分类1变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。 2变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 二、 变频器的控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 1 V/f控制 V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 2 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 3矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 4直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 5最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。 4.2 变频器选型一、 变频器的控制方式控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。下表中参数供选用时参考。表4-1控制方式U/f=C控制电压空间矢量控制矢量控制直接转矩控制反馈装置不带PG带PG或PID调节器不要不带PG带PG或编码器速比I150%200%静态速度精度/%（0.20.3）（0.20.3）0.20.20.020.2适用场合一般风机、泵类等较高精度调速，控制一般工业上的调速或控制所有调速或控制伺服拖动、高精传动、转矩控制负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载故选择U/f=C控制二、 变频器容量的选择变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。1从电流的角度大多数变频器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是一个反映半导体变频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。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 2从效率的角度系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：（1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。（2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。（3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。（5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。3从计算功率的角度对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：(1)满足负载输出：PcnPm (4.1)(2)满足电动机容量：Pcn3KUeIe cos 10-3 (4.2)(3)满足电动机电流：IcnKIe (4.3)式中Pcn为变频器容量（单位kW），PM-负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），为电动机效率（通常约为085），cos为电动机功率因数（通常约为075），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为10511）。将本系统参数带入求得所取变频器容量最低为88KW故取100KW，额定电流139.26A，故取150A。 根据计算所得的所需参数可以选取西门子MicroMaster430（风机水泵专业）变频器，具体的可以选择MM430-110K型号的变频器，他配接电机的容量是110kw，额定电流为205A满足使用需求，可以选择。三、 变频器主电路外围设备选择1断路器当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。当变频器输入侧发生短路等故障时，进行保护。选择原则(1)变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍；(2)变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；(3)变频器允许的过载能力为150%，1min。为了避免误动作，断路器的额定电流应选： (4.4)其中为变频器的额定电流。故选择断路器额定电流选择210A根据上述数据可以选择断路器DW15400断路器额定电压为380V，额定电流为300满足要求可以选择。2接触器(1)主要作用：可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电；变频器发生故障时，可自动切断电源。(2)选择原则：由于接触器自身并无保护功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点的额定电流，应该大于126.6A,可以选择主触点额定电流为130A的接触器。根据上述数据施奈德的LC1D150，满足参数要求，可以选择3主电路的线径(1)电源和变频器之间的导线一般说来，和同容量普通电动机的电线选择方法相同。考虑到其输入侧的功率因数往往较低，应本着宜大不宜小的原则来决定线径。(2)变频器和电机之间的导线因为频率下降时，电压也要下降，在电流相等的情况下，线路电压降在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。这有可能导致电动机带不动负载并发热。所以，在决定变频器和电动机之间导线的线径时，最关键的因素便是线路电压降的影响。一般要求： (4.5)的计算公式是： (4.6)式中：额定相电压，V ； 电动机额定电流，A ； 单位长度（每米）导线的电阻，m/m ； 导线的长度，m 。由上两式可直接求出的取值范围。根据Ro值确定导线面积。由公式（3.6）得：0.69 m/m 1.04 m/m 根据表3.1判断所需的导线截面积，为了满足控制系统的要求，应该选择截面积为16的导线。表3-2标称截面/mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0/(m/m)17.811.96.924.402.921.731.100.690.494制动电阻准确计算制动电阻值十分麻烦，在实际工作中基本不用。许多变频器的使用说明书上给了一些计算方法，也有的直接提供了供用户选用的制动电阻的规格。但按说明书上选择电阻时须注意下面问题，变频器生产厂家为了减少制动电阻档次，常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻。选用时，应注意根据生产机械的具体情况进行调整。对同一挡中电动机容量较小者，制动转矩与额定转矩的比值偏大。为了减小能量的消耗，应根据制动过程的缓急程度以及飞轮力矩的大小，考虑能否选择阻值较大的制动电阻。对同一挡中电动机容量较大者，制动转矩与额定转矩的比值偏小。在一些飞轮力矩较大，又要求快速制动的场合，或者如起重机械那样，需要释放位能的场合，上述制动电阻有可能满足不了要求，靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。第五章 结论本论文模拟小区的生活供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水系统，经过实验运行调试克服了传统供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的恒压供水。5.1本系统具有以下的特点:一、采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备PLC和内置PID调节模块的变频器作为主要控制设备，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，确保恒压供水。二、系统具有完备的故障处理能力，可通过自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等方式确保供水，具有故障实时的现场报警和远程电话自动报警功能，具有故障电机锁定功能。三、系统实现了计算机和PLC的有效结合，具有远程监控与管理能力，设计合理、先进。四、系统采取变频调速方式实现恒压供水，节能效果明显。5.2 展望本论文研究的系统将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位等，通