变频调速恒压供水系统的硬件部分设计.doc

第四章变频调速恒压供水系统的硬件部分设计4.1变频器的工作原理和选择变频器是采用交一直一交电源变换技术、电力电子技术、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品，它通过改变电动机工作电源频率从而达到改变电动机转速的目的。它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用，是水泵电机调速的执行者。4.1.1变频调速基本原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60f(1-s)/p(4-1)式中，n表示电机转速;f表示电源频率;s表示电机转差率:p表示电机磁极对数。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交一直一交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。实际上，若仅改变电源的频率则不能获得异步电动机满意的调整性能。因此，必须在调节石的同时，对定子相电压u1也进行调节，使关与u,之间存在一定的比例关系。故变频电源实际上是变频变压电源，而变频调速准确的称呼应是变频变压调速，其英文术语为VariableVoltageVariableFrequency,又简称为VVVF调速器.根据人与ut的关系，变频调速原则上主要有以下两种:1.恒转矩变频调速(恒磁通变频调速)由异步电动机的电势方程知:电动机定子相电压ut近似与电源五、磁通。的乘积成正比。故若u，一定时，则。必将随着石的变化而变。若石从额定值(我国通常为50HZ)往下调节时，小就增大。而电动机在设计时，为了充分利用铁芯材料，一般都把中值选在接近磁饱和和数值附近。因此，中的增大，就会导致磁路过饱和，励磁电流大大增加，这将使电动机带负载的能力降低，功率因数值变小，铁损增加，电动机过热，这是不允许的.反之，若石从额定值往上调节时，。就减小，这在一定的负载下又有过电流的危险.为此通常要求磁通恒定，即f，与ul成正比关系，即(4-2)式(4一中u2,几为电动机在非额定工况时的定子电压和电源频率。又由异步电动机的转矩方程式知，当有功电流几额定时，。一定时，电动机的转矩i也一定，故恒磁通即恒转矩。2.恒功率变频调速当电动机在额定转速以上运转时，定子频率将大于额定频率。这时若仍采用恒磁通变频调速，则要求电动机的定子电压随着升高。可是电动机绕组本身不允许承受过高的电压，电压必须限制在允许的范围内，这就不能再应用恒磁通变频调速。在这种情况下，可以采用恒功率变频调速。根据推导可知，恒功率调速必须满足以下两个条件:u,fi二u,fz”定值(4-3)由于恒功率变频调速时巾必将发生变化，故电动机效率和功率因数将有可能下降。从上面对恒磁通和恒功率的变频调速特性分析可以得知，变频调速从额定频率往频率下降的方向调速时，即次同步高速时，应采用恒转矩(恒磁通)变频调速;变频调速从额定频率往频率增加的方向调速时，即超过同步调速时，需要采用恒功率变频调速。4.1.2变频器的分类及各种型式变频器的特点变频调速系统的主要设备是能提供变频电源的变频器。变频器的变流元件(电力开关元件)目前使用的主要有如下4种:晶闸管(可控硅)、大功率三极管(GTR，动力晶体管)、可关断晶闸管(GTO可关断可控硅)、二极管.变频器可分为交流直流交流(简称交直一交)变频器和交流交流(简称交交)变频器两类.交直交变频器是先将工频交流电通过整流器整流成直流;再把直流电经逆变器变成频率可调的交流电。交交变频器将电网的交流电直接变为电压和频率都可调的交流电。由于交一交变频器的输出频率一般最高只能达到电源频率的1/2-1/3,所以它适用于低速大功率的传动，在泵与风机的调速节能中迄今很少使用。本文只讨论交直交变频器。交直交变频器又分为电流型和电压型两种，两者的主要区别是中间滤波环节的第四章变频调速恒压供水系统的硬件部分设计滤波方式不同。电压型变频器采用大容量的电容器进行滤波，直流回路的电压波形比较平直，输出呈低阻抗，类似于电压源。逆变器中电子开关的通断作用实质是将直流电压以一定的方向和次序分配给负载电动机的各个绕组，形成矩形波或阶梯形波的交流电压.电流型变频器则采用大电感的电抗器进行滤波，直流回路的电流波形比较平直，输出呈高阻抗，类似于电流源。逆变器中晶闸管等电子开关的通断作用实质上是将直流电以一定的方向和次序分配给负载电动机的各个绕组，形成矩形波或阶梯波的交流电流。除上述电流型和电压型变频器外，70年代后期又在电压型变频器的基础上发展出一种脉冲宽度调制(PWM)型变频器。以单相变频器1800通电型为例，电压型变频器输出的电压波形为矩形;而PWM型则是把电压型的1800矩形波分割成若千个脉冲，若适当选择脉冲个数和脉冲宽度，则其输出波形近和正弦波相当。这就减少了电压中的低次谐波，减少了谐波损失，扩大了装置系统调速范围，提高了电动机在低速运行时稳定性。PWM型变频器根据供给逆变器的直流电压是可变还是恒定又分为恒幅PWM型变频器和变幅(脉冲幅值可调的)PWM型变频器两种。恒幅PWM型变频器是由二极管整流器，逆变器组成，逆变器的输入恒定直流电压，通过调节其脉冲宽度和输出交流电压频率来实现既调压又调频，变频变压都由逆变器承担。由于输出电压由逆变器决定，所以恒幅PWM型变频器的调节速度快，系统的动态响应好;并且由于直流电源由整流桥整流得到，所以无需移相控制，功率因数高。这种变频器的逆变器的交流元件可采用大功率三极管(GTR)(适用于中小容量)或可关断晶闸管(GT(刀(适用于大中容量)。由于GTO和GTR均有自己关断的能力，故在变频调速系统中可省去复杂的换流电路和换流元件，从而消除了电路的换流损耗，故恒幅PWM型变频器具有高的调速效率和可靠性。脉冲幅值可调的PWM型变频器，它与普通电压型变频器相同，该电路由可控硅整流器，中间滤波环节和晶闸管(或其它换流元钧逆变器组成，逆变器用于频率的控制。PWM型变频器虽多为上述电压型的，但近来也有电流型的。电流型PWM变频器波形的特点是把1200宽的电流矩形波中间的600保留不动，而把前后300的波形切成脉冲状。普通的电流变频器的主要问题是由于它的输出电流为矩形波，由此产生的高次谐波成分将会对电动机和电源产生不良影响。如使供电电源质量下降，电动机的特性恶化;电动机产生转矩脉动问题等。为了减少高次谐波成分，除了采用前面所述的PWM技术以外，还可采用多重化技术，即把多组电流型变频器并联起来，以改善其输出电流波形特形。在泵与风机调速节能的变频调速系统中现已普遍采用这一多重化技术.由于变频调速在宽的转速范围都具有高的调速效率，所以是一种很有发展前途的调速。在德国，日本等先进工业国家，在泵与风机的调节方面己普遍应用变频调速。4.1.3变频器的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控制变频器知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，低速下负载转矩较小，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。为减少主电源干扰，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，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窒内的屏，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，选用西门子MICROMASTER430型变频器。MICROMASTER430变频器是用于控制三相交流电动机速度的变频系列，特别适合用于水泵和风机的驱动。本变频器由微处理器控制，并采用现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率输出器件，因此，它们具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。该变频器易于安装，参数设置和调节，具有牢固的EMC设计。该变频器具有以下特性，如表4-1所示。功率范围7.5kW 250kW 电源电压380V 480V10% 三相交流输入频率47 Hz 63 Hz 输出频率0 Hz 650 Hz 功率因数0.98 过载能力140% 3s/ 间隔时间300s 110% 60s/ 间隔时间300s 控制方式线性V/F 控制平方V/F 控制多点V/F 控制磁通电流控制(FCC) 节能控制脉冲调制频率2kHz 16kHz 标准设置4kHz 固定频率15 个可编程跳转频率4 个可编程设定值的分辨率01Hz 数字输入01Hz 串行通讯输入10 位二进制的模拟输入数字输入6 个DI 可编程带电位隔离可PNP/NPN 型接线模拟输入2 个可编程0-10V 0-20mA -10V-10V(AIN1) 0-10V 0-20mA(AIN2)两个模拟输入可以作为第7 和第8 个数字输入继电器输出3 个可编程,30VDC/5A( 电阻性负载) 250VAC/2A( 电感性负载) 模拟输出2 个可编程(0/4mA-20mA) 串行接口RS485 RS232 电动机电缆长度不带输出电抗器最大50m(带屏蔽) 最大100m( 不带屏蔽) 带输出电抗器最大200m( 带屏蔽) 最大300m( 不带屏蔽) 电磁兼容性符合EN55011 标准符合IEC60 801-3 标准符合EN610004-3 标准制动方式直流注入制动复合制动防护等级IP20 保护特征欠电压过电压过负载接地短路4.2可编程序控制器选型PLC是该控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。选择PLC应包括PLC机型、容量等的选择。1、PLC机型选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。(1)结构合理对于工艺比较固定，环境条件较好，维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC.(2)功能强弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，如西门子公司的S7-200系列机。2、PLC容量的选择PLC容量主要是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点是数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的考虑留10%-15%点数备用量。根据系统要求和功能，PLC选用西门子S7-200系列的CPU224型。S7-200系列的CPU224型西门子可编程序控制器具有以下特点:1）具有14个输入点，10个输出点；2）SIMENSS7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；3）大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务；4）方便用户和简易的无风扇设计；5）当控制任务增加时，可以自由扩展；6）大范围的集成功能使得它的功能非常强劲；7）PLC编程采用STEP7-Micro/win，它是SIMATIC PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试.4.3远传压力表的选用压力表应适用于测量对铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸气和气体等介质的压力。此外仪表最好能就地指示压力以便与现场检测。4.4水泵及其电动机的选择工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泉时，首先要满足供水系统的要求:1.水泵扬程应大于实际供水高度;2.水泵流量总和应大于实际最大供水量;3.水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量;4.水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价;5.水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失;6.安装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低:立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此例中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高:而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小:因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。4.6电路设计4.6.1.主电路图电气控制系统主电路图如图4-1所示。图中，M1#,M2#,M3#,M4#为四台水泵电机，KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7为控制四台电机的接触器，FR1、FR2、FR3、FR4为电机M1#、M2#、M3#、M4#过载保护用的热继电器，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6为空气开关。4.6.2控制电路图本系统的电气控制线路如图4-2所示。图中，SA为手动/自动转换开关，在手动状态可以按动按钮SB1SB10控制四台泵的起停，在自动状态时，根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停。HL1HL8为各种运行指示灯。中间继电器KA1的一个常开触点接PLC的输入点I0.2，控制自动状态的起动；中间继电器KA1的三个常闭触点接在四台泵的手动控电路上，控制四台泵的手动运行。FR1FR4为四台泵机的热继电器的常闭触点