电拖课程设计.doc

电力拖动自动控制系统课程设计报告题 目：变频恒压给水系统的电气控制系统设计院 （系）： 机电与自动化学院 专业班级： 电气自动化技术0901 学生姓名： 学 号： 20092822XXX 指导教师： 刘 政 廉 2012年2月13日至2012年2月24日华中科技大学武昌分校目 录1 课程设计题目及要求11.1 设计题目11.2设计主要内容11.2.1待建恒压供水系统基本资料11.2.2设计要求2 课题背景22.1传统的供水方式22.2供水系统的基本特性22.3水泵调速运行的节能原理33变频恒压供水系统的简介53.1变频恒压供水系统的基本原理53.2变频器的功能设置53.3变频器保护功能及外加保护64变频恒压给水系统的电气控制系统设计134.1恒压控制的理论分析134.2系统构成及工作原理134.2.2 PID调节器144.2.3 变频器的接线154.2.4工作方式选择4.2.5 电路工作过程总结 20附录一 变频器恒压给水系统电气控制电路原理图21参考文献 32（目录页码自己根据自己的论文自己标，可以打印，但此行打印时删掉）1 课程设计题目及要求1.1 设计题目变频恒压给水系统的电气控制系统设计1.2 设计主要内容1.2.1 待建恒压供水系统基本资料待设供水站在城市某居民小区，向小区的十栋十五层住宅楼供水待设供水站的电源为380交流电源站内有水泵两台, 均可实現手动工频或変频工作出水总管道上安装有电传压力表即显示管道压力同时将压力変成直流电压进行反饋1.2.2设计要求管道压力在正常情况下电气系统自动调节水泵电动机的供电频率使供水压力恒定在0.5兆帕平方厘米电动机功率为30千瓦. 变频器型号选择要合适交流接触器型号选择合适2课题背景社会日益发展，人民生活水平日益提高，人民生活正趋向于高标准、高质量和现代化，供水问题成为人民生产生活中十分关切的问题。在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水、喷淋及消防等供水系统中，由于高建筑越来越高，采用传统的水塔、高位水箱、气压增设设备不但占地面积和设备投资大、而且容易造成水的二次污染，还不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。另一方面，供水量是随机变化的，采用传统的方法，难以保证供水的实时性，且能量浪费严重。而变频恒压供水系统很好的克服了传统方法的缺点成为一种比较完善的供水系统。2.1传统的供水方式传统的供水系统可分为重力供水和压力供水。重力供水方式有水箱和水塔供水，压力供水方式有气压供水。(1) 对于气压式供水方式，压力给水系统在地下室或某些空余之处设置水泵机组和气罐等设备，采用压力给水来满足建筑物的供水要求。气压供水系统是以气压罐利用密闭压力将罐内贮水送到管网中去，其优点是灵活性大，建设快，污染少，有利于抗震，可消除管道中的噪声。缺点是需用金属制造，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需使用张力膜或设置空气压缩机充气，维护费用高。(2) 对于水箱供水方式，需要将水箱置于屋顶的最高处，在大型建筑中即使如此，还常常不能满足供水要求，同时由于其存水量较大，增加了结构的承重和占用了楼层的建筑面积，有碍美观。此外，屋顶水箱必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，投资大，周期长。(3) 对于水塔供水方式，水塔供水在无人值守时，总要开启一个泵运行，而且多个泵不能自动循环使用，不能均衡泵的使用寿命。此外，水塔供水易造成二次污染，需要定期清理、消毒，周期性维投入多。水塔供水需要专门的泵房，要有人值班，在用水高峰期要开备用泵，而且只能人工调整压力。该供水方式常造成水压不稳，水量不足。水塔供水建筑投资和空间占有都比较大，且在火灾时不能很快起动消防压力，不适合对压力有特殊要求的场合。2.2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不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f (Q)，如图1-1所示。由图1-1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H与用水流量Q间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f (Q)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Q之间的关系H=f(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1中A点。在这一点，用户的用水流量Q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，系统稳定运行。图1 供水系统的基本特性2.3水泵调速运行的节能原理（1）交流电机变频调速原理：变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率s定义为:异步电机的同步转速为:则异步电机的转速为:其中: nl为异步电机的同步转速;n为异步电机的转子转速;是异步电机的定子电源频率;为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。交流电机转速特性：，其中n 为电机转速，为交流电频率，s 为转差率，p为极对数。电机选定之后s 、p则为定值，电机转速n和交流电频率成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。（2）变频系统的节能原理见图2所示假定合理的供水恒压值为H1时，管道阻力曲线为R，工况点为P1，管网流量为Q1，此刻对应的耗能大小可用面积表示为：。图2 变频恒压供水原理若管网流量由Q1下降至Q2时，因采用工频运转，电机功率一定，水泵工作特性曲线N1不变，工况点由P1到P3点，此刻对应的耗能大小可用面积表示为：A3=OH3P3Q2。据实测，A1与A3的差值不是很大，但因水泵产生了剩余压头P3P0较大，对系统运行极不安全，尤其是夜间为甚。采用变频调速恒压供水后，变频系统能根据管网流量Q的变化自动改变水泵运转和水泵工作特性曲线N2，并使H2=H1，此刻对应的耗能大小可用面积表示为：A2=OH1P2Q2 显然，节能面积为：A=A3-A2=H1H3P3P2节能效率为：=A/A3100%根据一年运行实测计算：电=38.5%，水=20.5%另外需要指出的是，恒压的定义是指水泵站出口（压力传感器）的压力不变，而对于末端的用户压力，因有剩余压头P2P0的产生不是恒定值。但P2P0P3P0，故其压力波动在许可范围内，可视为恒压供水。（3） 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。 流量与转速成正比： 转矩与转速的平方成正比： 功率与转速的三次方成正比： 而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系： 变额额 采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：阀（.+.）额 其中，为功率，为转速，为流量 例如设定当前流量为水泵额定流量的，则采用变频调速时变.额，而采用阀门控制时阀（.+.）额.，节电（阀-变）阀*.。表1节能表流量% 100 90 80 70 60 50 节电率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1 由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。3 变频恒压供水系统的简介所谓恒压供水是指在供水管网端口用水量发生变化时，出口压力始终保持不变的供水方式。供水网端口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施来实现。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。目前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。变频调速恒压供水技术是以保证用户用水水压恒定为目标，实现系统自动控制调节。它由控制器、变频器、压力传感器、水泵构成，水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的压力信号，当该点的压力不等于设定值时，控制器通过调节变频器的输出频率以改变拖动水泵的转速来调节管道压力。由于通过压力传感器将用户水压情况反馈到控制器，构成了闭环反馈控制系统，因此用户水压调节及时波动较小，效果较好。3.1变频恒压供水系统的基本原理变频恒压供水系统主要采用PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、液位传感器等，对水泵进行恒压调速。它是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。该系统通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。设备采用多泵并联的供水方式，用户用水量的大小决定了投入运行的水泵的数量，当用水量较小时，单台泵变频工作，当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定下限运行频率，如供水量仍大于用水量，则自动停止工频运行泵同时变频泵转速增加。3.2变频器的功能设置变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器是闭环控制系统的核心部分。选择变频器时要注意与水泵电机的容量的配合，即变频器的容量要大于或等于水泵电机的容量。要选择风机水泵专用的变频器，功能设置如下：（1）频率上限水泵的机型特性是二次方率递减的机械特性，所以上限频率fH能超过额定频率fN 即fH fN 。本系统设置的频率上限为52HZ。（2）下限频率在决定下限频率有两种情况可以考虑：水泵的扬程必须满足供水所需的基本扬程；供水系统常常是多台水泵共同供水，如果其他水泵在高速下运行，一台水泵水泵转速过低实际上将无法供水。故下限频率一般设置为： 30HZ FL 50HZ 。（3）加减速时间水泵由于水管中有一定的压力的缘故，在一次转速上升和下降的过程中，惯性的作用极微。但过快的升、降速，会在管道中引起水锤效应。所以，应将加减速的时间适当加长些。本系统得上升时间为10秒，下降时间为2秒。3.3 变频器保护功能及外加保护通用变频器本身一般都有较完善的保护功能，但如果参数设置不当，负载变化，外界运行条件改变以及变频器的元器件损坏或接触不良等，都有可能造成变频器的故障。当变频器出现故障和非正常运行时，变频器必须有快速可靠的保护。下面就是变频器的一些主要保护功能及它的外加保护：（1）过电流保护当变频器的输出侧发生短路或电动机堵转时，变频器将流过很大的电流，从而造成电力半导体器件的损坏。为了防止过电流，变频器设置有过电流保护电路。当电流超过某一数值时，变频器通过自关断电力半导体器件切断，减小变频器的输出电流。（2）过载保护过载保护功能主要是保护电动机的。通常在电动机控制电路中，采用具有反时限特性的热继电器来进行过载保护。当流经热继电器中双金属片的电流所产生的热效应超过一定值以后，双金属片由于膨胀系数的差异将切断主电路，从而保护电动机不致损坏。（3）电压保护电压保护分为过电压保护和欠电压保护两种。过电压保护当电源电压突然升高，或者电动机降速时，反馈能量来不及释放，使电动机的再生电流增加，主电路直流电压超过过电压检测值，形成再生过电压。下面分析一下减速或制动时，变频器的过电压保护处理方式。当电动机减速或制动时，电动机将通过变频器的作用，将变频器输出侧的交流电变换成直流侧的直流电，从而使变频器支流侧电压升高。如果这一电压超过一定数值，有可能击穿滤波电容或电力半导体器件，造成变频器损坏。当变频器的直流电压超过一定数值后，直流制动电路开始进行再生制动，电动机继续减速；当直流电压继续升高，超过一定数值后，直流制动电路所消耗的能量已不足以平衡电动机减速所释放的动能，如果继续减速，有可能造成直流电压的进一步升高，为此，变频器将停止减速。如果直流电压超过保护电压值，变频器将切断输出电流，电动机自由停车。欠电压保护变频器产生欠电压的原因主要有：电源电压过低，主电路直流电压降到欠压检测值以下，或者电源突然缺相；对于没有瞬停再起动功能的变频器，出现瞬间停电的情况；变频器中的电子元器件损坏，限流电阻长时间接入，负载电流得不到及时补充，导致直流电压下降而引起欠电压。欠电压首先会引起电动机的转矩下降，然后使电动机的电流急剧增大。新型变频器都有较完善的欠压保护功能，一般欠电压不到15ms，变频器仍然继续运行，若超过15ms，变频器将停止。（4） 负载侧接地保护当电动机的绕组或变频器到电动机之间的传输线中有一相接地（如果有两相或两相以上同时接地，则形成短路，引起过电流保护），将导致三相电流的不平衡。变频器一旦检测出三相电流的不平衡时，将立即进行保护。本系统选择的是一款三菱公司的FR-A540风机水泵专用型通用变频器。4 变频恒压给水系统的电气控制系统设计4.1恒压控制的理论分析系统以供水管压力为控制量，将远传压力表或压力变送器测量到的电信号送入PLC，PLC将压力实际值与压力设定值进行比较，实时进行供水压力的调控。首先，由使用者设定系统的压力值，设备启动后，系统根据压力设定值,给出水泵的运行速度，如果差值为零，则水泵就在某一运行速度下稳定运行。当供水系统用水量增加，管网压力开始下降时，控制系统根据压力下降的程度，适时地提高调速泵的转速，及时增加供水量，保持管网压力不变。如果水泵已经转到它的最高速，仍不能满足用水量，而管网压力继续下降时，控制系统便将该泵切换成工频运行，同时投入2号泵变频运行，两台水泵共同工作满足管网的供水需要，使供水压力继续保持稳定。同样道理，如果有第3、4台泵的话，系统可以根据需要依次将它们切换到工频运行状态，并将下一台泵投入变频运行。如最后投入运行变频的泵达到最高转速仍不能满足系统用水要求，则将该泵变频停止，同时投入工频运行。反之，当用水量减少时，管网压力开始上升时，压力反馈量大于给定量，经过PI调节器自动降低变频器的频率，控制系统根据这一变化，自动适应地降低调速泵的转速，减少供水量，保持管