继电接触式变频恒压供水控制系统设计毕业论文.doc

1 继电接触式变频恒压供水控制系统设计继电接触式变频恒压供水控制系统设计 摘摘 要要 供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一 任何时供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一 任何时 候都能提供足够的水量 平稳的水压 合格的水质是对给水系统提出的基本要求 候都能提供足够的水量 平稳的水压 合格的水质是对给水系统提出的基本要求 本系统本系统 研究了变频调速技术在民用建筑供水系统中的应用 采用继电接触式控制系统和变频器作研究了变频调速技术在民用建筑供水系统中的应用 采用继电接触式控制系统和变频器作 为主控单元 配合接触器 为主控单元 配合接触器 PIDPID 调节器 压力传感器 干簧管等构成了变频供水的智能控制调节器 压力传感器 干簧管等构成了变频供水的智能控制 系统 其中为了节约成本采用继电接触式对系统进行逻辑控制 变频器进行压力调节 压系统 其中为了节约成本采用继电接触式对系统进行逻辑控制 变频器进行压力调节 压 力传感器时刻跟踪水泵出口压力和给定压力值的偏差变化 经力传感器时刻跟踪水泵出口压力和给定压力值的偏差变化 经 PIDPID 调节器内部运算送入变调节器内部运算送入变 频器 由控制电路控制频器 由控制电路控制 3 3 台电机的起停以及工频与变频的切换 实现闭环自动调节恒压变台电机的起停以及工频与变频的切换 实现闭环自动调节恒压变 频供水 在保持恒压的前提下达到控制流量的目的 充分发挥了变频调速的优势 具有高频供水 在保持恒压的前提下达到控制流量的目的 充分发挥了变频调速的优势 具有高 效节能 自动控制 性能稳定的优点 效节能 自动控制 性能稳定的优点 关键词 继电器 接触器 变频调速 恒压供水关键词 继电器 接触器 变频调速 恒压供水 2 ABSTRACTABSTRACT The water supply project often becomes one of most important infrastructures in the or the Industrial and mining establishment and the Small businesses Providing the enough water volume at any time the steady velocity modulation technology in the civil construction water supply system s application using relay and contractor control system and the frequency changer coordinates the contact device the PID regulator the pressure transmitter reed pipes and so on to constitute the frequency conversion water supply intelligent control system And to save the cost It uses relay and contractor to finish the logical control the frequency changer to finish the pressure control the pressure transmitter time track water pump outlet pressure and assigns the value of pressure the deviation change sends in the frequency changer after the PID regulator internal arithmetic controls 3 electrical machinery by the control circuit to stop as well as the power frequency and the frequency conversion cut realizes the closed loop automatic control constant pressure frequency conversion water supply maintains the constant pressure the premise issues the control current capacity the goal This system automatic control stable property merit KEYKEY WORDS WORDS Relay Relay Contacor Contacor VaviableVaviable frequencyfrequency Control Control ConstantConstant pressurepressure waterwater 3 supplysupply 目录目录 前言前言 3 3 1 11 1 供水技术应用供水技术应用 3 3 1 21 2 变频恒压供水系统的发展变频恒压供水系统的发展 4 4 1 31 3 本课题所需工作本课题所需工作 5 5 第一章第一章 系统组成及可行性分析系统组成及可行性分析 6 6 1 11 1 变频调速的基本原理变频调速的基本原理 6 6 1 21 2 变频恒压调速在供水系统中的应用变频恒压调速在供水系统中的应用 6 6 1 31 3 系统工艺流程系统工艺流程 6 6 1 41 4 控制要求及技术指标控制要求及技术指标 7 7 4 1 51 5 可行性分析 节电分析可行性分析 节电分析 8 8 第二章第二章 系统设计系统设计 9 9 2 12 1 主电路设计主电路设计 9 9 2 1 12 1 1 变频器的工作原理变频器的工作原理 9 9 2 1 22 1 2 变频器的发展变频器的发展 1010 2 1 32 1 3 电机运行的控制电机运行的控制 1111 2 1 42 1 4 工频变频切换与变频器工作的时序的关系工频变频切换与变频器工作的时序的关系 1111 2 1 52 1 5 PIDPID 调节器的应用和原理调节器的应用和原理 1111 2 22 2 确定控制方案确定控制方案 1414 2 2 12 2 1 手动运行手动运行 1515 2 2 22 2 2 自动运行自动运行 1515 2 2 32 2 3 保护和报警系统保护和报警系统 1616 2 2 42 2 4 仪表显示仪表显示 1717 2 2 52 2 5 控制电路图控制电路图 1717 第三章第三章 设备选型设备选型 2020 3 13 1 变频器选型变频器选型 2020 3 23 2 水泵电机的选择水泵电机的选择 2020 3 33 3 接触器接触器 2121 3 43 4 继电器继电器 2121 3 4 13 4 1 热继电器热继电器 2121 3 4 23 4 2 时间继电器时间继电器 2222 3 4 33 4 3 中间继电器中间继电器 2222 3 53 5 低压断路器低压断路器 2222 3 63 6 压力变送器压力变送器 2323 3 73 7 调节器调节器 2323 3 83 8 干簧管干簧管 2424 3 93 9 频率显示仪表频率显示仪表 2424 3 103 10 按钮 万能开关按钮 万能开关 2424 3 113 11 指示灯指示灯 2424 5 3 123 12 警铃警铃 2525 3 133 13 固定线槽的选用固定线槽的选用 2525 3 143 14 接线端子排的选用接线端子排的选用 2525 第四章第四章 控制柜设计控制柜设计 2626 4 14 1 相关布置规定相关布置规定 2626 4 1 14 1 1 设计准备工作设计准备工作 2626 4 1 24 1 2 控制柜布局和器件配置控制柜布局和器件配置 2626 4 24 2 控制柜内部布置控制柜内部布置 2727 4 34 3 面板布置面板布置 2727 第五章第五章 结论结论 2828 5 15 1 系统总结系统总结 2828 5 25 2 系统特点系统特点 2828 结束语结束语 2929 致谢致谢 3030 参考文献参考文献 3131 附录附录 A A 3232 附录附录 B B 3333 前言前言 1 1 供水技术应用 供水技术应用 传统的恒压供水方式是采用水塔 高位水箱 气压罐等设施实现的 但是他们有不可传统的恒压供水方式是采用水塔 高位水箱 气压罐等设施实现的 但是他们有不可 避免的缺点 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时 出口压力保持不变的供水方式 避免的缺点 恒压供水是指在供水网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 供水网系出口压力值是根据用户需求确定的 水箱水箱 水塔供水水塔供水 6 系统用水由水箱系统用水由水箱 水塔直接供应 即为重力供水 供水压力比较稳定 且有贮水 但水塔直接供应 即为重力供水 供水压力比较稳定 且有贮水 但 它是由位置高度所形成的压力来进行供水 为此需要建造水塔或将水箱置于建筑屋顶的最它是由位置高度所形成的压力来进行供水 为此需要建造水塔或将水箱置于建筑屋顶的最 高度 在大型建筑中即使如此 还常常不能满足最不利供水点的供水要求 同时由于其存高度 在大型建筑中即使如此 还常常不能满足最不利供水点的供水要求 同时由于其存 水量较大 在屋顶形成很大的负重 增加了结构的承重和占用楼层的建筑面积 也妨碍美水量较大 在屋顶形成很大的负重 增加了结构的承重和占用楼层的建筑面积 也妨碍美 观 此外 屋顶水箱必须高出层面几米 建筑立面较难处理 而且投资周期长 观 此外 屋顶水箱必须高出层面几米 建筑立面较难处理 而且投资周期长 气压供水系统气压供水系统 气压给水系统不在屋顶上设置水箱 也不用单独建筑水塔 仅地下室或某些空余之处气压给水系统不在屋顶上设置水箱 也不用单独建筑水塔 仅地下室或某些空余之处 设置水泵机组和气罐设备 采用压力给水来满足供水要求 气压供水系统是以气压罐代替设置水泵机组和气罐设备 采用压力给水来满足供水要求 气压供水系统是以气压罐代替 水塔或高位水箱 利用密闭压力水罐内空气的压力将罐水压送到管网中去 其优点是灵活水塔或高位水箱 利用密闭压力水罐内空气的压力将罐水压送到管网中去 其优点是灵活 性大 建设快 少受污染 不妨碍美观 有利于抗震 消除管道中的水锤与噪声 缺点是性大 建设快 少受污染 不妨碍美观 有利于抗震 消除管道中的水锤与噪声 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 因此消耗动力较多 维护费用高 压缩机充气 因此消耗动力较多 维护费用高 变频恒压供水系统变频恒压供水系统 随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用 该技术得以在供水行业普及 变频调速恒随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用 该技术得以在供水行业普及 变频调速恒 压供水系统是根据用水量的多少 自动调整系统参数 最终实现向用户恒压供水 该系统压供水系统是根据用水量的多少 自动调整系统参数 最终实现向用户恒压供水 该系统 具有以下优点 具有以下优点 节约用水 节约用水 供水的系统 常常由于夜间用水少 管道内的压力往往比白天高 水压越供水的系统 常常由于夜间用水少 管道内的压力往往比白天高 水压越 高 管件越容易损坏 造成跑 冒 滴 漏 多次发生夜间崩管事故 高 管件越容易损坏 造成跑 冒 滴 漏 多次发生夜间崩管事故 采用变频器进行变采用变频器进行变 7 频恒压供水 管道保持恒压 可杜绝崩管现象 减少跑 冒 滴 漏 从而节约用水 频恒压供水 管道保持恒压 可杜绝崩管现象 减少跑 冒 滴 漏 从而节约用水 供供 水量无级调节水量无级调节 恒压供水 可保持系统水压恒定 不会出现水压过高的现象 管道的压力一直可维持恒压供水 可保持系统水压恒定 不会出现水压过高的现象 管道的压力一直可维持 在合理的范围内 管接件所承受的压力减小 延长了更换周期 减少了维修的投入 并且在合理的范围内 管接件所承受的压力减小 延长了更换周期 减少了维修的投入 并且 避免了管道崩裂事故 避免了管道崩裂事故 对于电机和水泵来说 由于起动过程平缓 可运行在最佳工作状态 对于电机和水泵来说 由于起动过程平缓 可运行在最佳工作状态 不再产生不再产生 憋泵憋泵 现象 运行损耗小 发热大为降低 从而延长了使用寿命 现象 运行损耗小 发热大为降低 从而延长了使用寿命 自动控制无人值守 无级调速 噪声小 压力稳定 稳压精度极高 自动控制无人值守 无级调速 噪声小 压力稳定 稳压精度极高 工作稳定 水泵电机由变频器软起动无冲击电流 有利于延长电机和水泵的寿命 也工作稳定 水泵电机由变频器软起动无冲击电流 有利于延长电机和水泵的寿命 也 避免了水锤 避免了水锤 完善的保护功能 过流 过压 过热 电机相间和对地短路等 完善的保护功能 过流 过压 过热 电机相间和对地短路等 多种报警输出 多种报警输出 手动工须运行控制 可以保证设备的安全连续运行 手动工须运行控制 可以保证设备的安全连续运行 2 2 变频恒压供水系统的发展变频恒压供水系统的发展 变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用 变频调速技术在各个领域得到了广泛的变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用 变频调速技术在各个领域得到了广泛的 应用 变频调速恒压供水设备以其节能 安全 高品质的供水质量等优点 使我国供水行应用 变频调速恒压供水设备以其节能 安全 高品质的供水质量等优点 使我国供水行 业的技术装备水平从业的技术装备水平从 9090 年代初开始经历了一次飞跃 恒压供水调速系统实现水泵电机无级年代初开始经历了一次飞跃 恒压供水调速系统实现水泵电机无级 调速 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数 保持水压恒定以满足用水要求 是当调速 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数 保持水压恒定以满足用水要求 是当 今最先进 合理的节能型供水系统 随着电力电子技术的飞速发展 变频器的功能也越来今最先进 合理的节能型供水系统 随着电力电子技术的飞速发展 变频器的功能也越来 越强 充分利用变频器内置的各种功能 对合理设计变频调速恒压供水设备 降低成本 越强 充分利用变频器内置的各种功能 对合理设计变频调速恒压供水设备 降低成本 保证产品质量等方面有着非常重要的意义 在短短的几年内 调速恒压供水系统从早期的保证产品质量等方面有着非常重要的意义 在短短的几年内 调速恒压供水系统从早期的 单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替 单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替 国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品 如华为的国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品 如华为的 TD2100TD2100 施耐德公 施耐德公 司的司的 Altivar58Altivar58 泵切换卡 泵切换卡 SANKENSANKEN 的的 SAMCO ISAMCO I 系列 系列 ABBABB 公司的公司的 ACS600ACS600 ACS400ACS400 系列产品 系列产品 富士公司的富士公司的 G11SP11SG11SP11S 系列产品 等等 这些产品将系列产品 等等 这些产品将 PIDPID 调节器以及简易可编程控制器的功调节器以及简易可编程控制器的功 能都综合进变频器内 形成了带有各种应用宏的新型变频器 能都综合进变频器内 形成了带有各种应用宏的新型变频器 恒压供水调速系统的系统的稳定性 可靠性 自动化程度 节能等方面这些优越性 恒压供水调速系统的系统的稳定性 可靠性 自动化程度 节能等方面这些优越性 引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视 并不断投入开发 生产这一高新技术产品 引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视 并不断投入开发 生产这一高新技术产品 目前该产品正向着高可靠性 全数字化微机控制 多品种系列化的方向发展 追求高度智目前该产品正向着高可靠性 全数字化微机控制 多品种系列化的方向发展 追求高度智 能化 系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发能化 系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发 智能楼宇 网络供水调度和整体智能楼宇 网络供水调度和整体 规划要求的必然趋势 规划要求的必然趋势 8 3 3 本课题所需工作 本课题所需工作 本设计就是一针对一个建筑物的供水系统 采用变频器 本设计就是一针对一个建筑物的供水系统 采用变频器 PID 调节器 单片机 继电调节器 单片机 继电 器等器件的有机结合 构成控制系统 调节水泵的输出流量 实现恒压供水 组成一闭环器等器件的有机结合 构成控制系统 调节水泵的输出流量 实现恒压供水 组成一闭环 控制系统 对水泵出口压力进行控制 保持水压恒定 当用水量发生变化时 可调节水泵控制系统 对水泵出口压力进行控制 保持水压恒定 当用水量发生变化时 可调节水泵 速度 或启动第二台水泵 保证水压恒定 此控制系统具有生活 生产一体化的优点 高速度 或启动第二台水泵 保证水压恒定 此控制系统具有生活 生产一体化的优点 高 效节能 本着节约成本的考虑采用继电接触式控制系统 由继电器 接触器等器件构成控效节能 本着节约成本的考虑采用继电接触式控制系统 由继电器 接触器等器件构成控 制回路包括自动 手动运行 多种保护 显示等 制回路包括自动 手动运行 多种保护 显示等 9 第一章第一章 系统组成及可行性分析系统组成及可行性分析 1 11 1 变频调速的基本原理变频调速的基本原理 三相异步电动机电动势的有效值为三相异步电动机电动势的有效值为 上式中 上式中 kw1 为定子绕组系数 为定子绕组系数 m fNkwE 111 44 4 f 为定子电流频率 为定子电流频率 为定子每相绕组匝数 为定子每相绕组匝数 为每极最大主磁通 为每极最大主磁通 1 N m 由上式可见 要使由上式可见 要使保持不变 就必须使保持不变 就必须使与与 f 比值保持不变 即比值保持不变 即f const 但是但是 m 1 E 1 E 的大小无法从外部电路中进行测量 从电机理论中我们知道 在忽略定子绕组的绕组压的大小无法从外部电路中进行测量 从电机理论中我们知道 在忽略定子绕组的绕组压 1 E 降时 电动势降时 电动势与定子相电压相等 即 与定子相电压相等 即 从而得出 从而得出f const 频率的下降会导 频率的下降会导 1 E 1 U 1 E 1 U 致磁通的增加 造成磁路饱和 励磁电流增加 功率因数下降 铁心和线圈过热 若频率致磁通的增加 造成磁路饱和 励磁电流增加 功率因数下降 铁心和线圈过热 若频率 上升 则磁通降低 电磁转矩减小 电动机的过载能力下降 显然这些都是不允许的为此 上升 则磁通降低 电磁转矩减小 电动机的过载能力下降 显然这些都是不允许的为此 要在降频的同时还要降压 这就要求频率与电压协调控制 也就是说调速装置输出的电压要在降频的同时还要降压 这就要求频率与电压协调控制 也就是说调速装置输出的电压 和频率的比值应保持不变 因此这种变频器被称为和频率的比值应保持不变 因此这种变频器被称为 VVVF 传统的笼型异步电动机调速方法有变频调速 调压调速 电磁转差离合器调速 液力传统的笼型异步电动机调速方法有变频调速 调压调速 电磁转差离合器调速 液力 耦合调速 变频调速以体积小 重量轻 调速范围宽 通用性强 保护完善 可靠性高 耦合调速 变频调速以体积小 重量轻 调速范围宽 通用性强 保护完善 可靠性高 操作方便等优点后来者居上 成为交流电动机调速技术的主流 在国民经济各个部门以及操作方便等优点后来者居上 成为交流电动机调速技术的主流 在国民经济各个部门以及 人民生活中都获得了广泛应用 经济效益和社会效益都非常显著 人民生活中都获得了广泛应用 经济效益和社会效益都非常显著 1 21 2 变频恒压调速在供水系统中的应用变频恒压调速在供水系统中的应用 自从变频调速技术成熟发展以来在供水系统中也得到了很好的应用 自从变频调速技术成熟发展以来在供水系统中也得到了很好的应用 恒压供水调速系恒压供水调速系 统实现水泵电机无级调速 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数 保持水压恒定以统实现水泵电机无级调速 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数 保持水压恒定以 满足用水要求 是当今最先进 合理的节能型供水系统 满足用水要求 是当今最先进 合理的节能型供水系统 变频调速恒压供水设备的主要应用于下列场合变频调速恒压供水设备的主要应用于下列场合 高层建筑 城乡居民小区 企事业等生活用水 高层建筑 城乡居民小区 企事业等生活用水 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 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 中央空调系统 中央空调系统 自来水厂增压系统 自来水厂增压系统 农田灌溉 污水处理 人造喷泉 农田灌溉 污水处理 人造喷泉 各种流体恒压控制系统 各种流体恒压控制系统 10 1 31 3 系统工艺流程系统工艺流程 采用三台水泵供水 压力控制点设在水泵出口处 按此压力设定值变频调节水泵工况采用三台水泵供水 压力控制点设在水泵出口处 按此压力设定值变频调节水泵工况 是常用方式 这种方式的控制点在给水设备间里 管理维护都比较方便 是常用方式 这种方式的控制点在给水设备间里 管理维护都比较方便 而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定 水泵电机的转速要跟随用水量的变化而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定 水泵电机的转速要跟随用水量的变化 而变化的 那么这就是要用变频器为水泵电机供电 在此这里有两种配置方案 一种是为而变化的 那么这就是要用变频器为水泵电机供电 在此这里有两种配置方案 一种是为 每一台水泵电机配一台相应的变频器 从解决问题方案这个比较简单和方便 电机与变频每一台水泵电机配一台相应的变频器 从解决问题方案这个比较简单和方便 电机与变频 器间不须切换 但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵 另一种方案则是数台电机配一器间不须切换 但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵 另一种方案则是数台电机配一 台变频器 变频器与电机间可以切换的 供水运行时 一台水泵变频运行 其余的水泵工台变频器 变频器与电机间可以切换的 供水运行时 一台水泵变频运行 其余的水泵工 频运行 以满足不同的水量需求 如下图为恒压供水构成示意图频运行 以满足不同的水量需求 如下图为恒压供水构成示意图 图中压力传感器用于检测管网中的水压 常装设在泵站的出水口 变频恒压供水系统图中压力传感器用于检测管网中的水压 常装设在泵站的出水口 变频恒压供水系统 压力传感器 把水压转换成压力传感器 把水压转换成 4 20mA 的模拟信号 通过的模拟信号 通过 PID 调节器送入变频器 来改变调节器送入变频器 来改变 电动水泵转速 当用户用水量增大 管网压力低于设定压力时 变频调速的输出频率将增电动水泵转速 当用户用水量增大 管网压力低于设定压力时 变频调速的输出频率将增 大 水泵转速提高 供水量加大 当达到设定压力时 电动水泵的转速不在变化 使管网大 水泵转速提高 供水量加大 当达到设定压力时 电动水泵的转速不在变化 使管网 压力恒定在设定压力上 反之亦然 压力恒定在设定压力上 反之亦然 1 41 4 控制要求及技术指标控制要求及技术指标 三台水泵供水 压力控制点设在水泵出口处 用变频器 调节器 继电器 接触器等三台水泵供水 压力控制点设在水泵出口处 用变频器 调节器 继电器 接触器等 组成闭环调节系统 以保正水泵出口压力恒定 水泵的切换方式为 三台水泵作变频运行 组成闭环调节系统 以保正水泵出口压力恒定 水泵的切换方式为 三台水泵作变频运行 当第一级变频泵达到工频运行时 第二台备用泵变频启动 当第二台变频泵再次达到工频当第一级变频泵达到工频运行时 第二台备用泵变频启动 当第二台变频泵再次达到工频 11 运行时 第三台备用泵变频启动 停泵时依次停第一 二台泵 运行时 第三台备用泵变频启动 停泵时依次停第一 二台泵 参数要求为 参数要求为 1 1 用水量 正常供水量 用水量 正常供水量 2020 立方米小时 最大供水量立方米小时 最大供水量 5555 立方米小时 扬程立方米小时 扬程 6868 米 米 2 2 用三台水泵供水 用三台水泵供水 3 3 控制压力为 控制压力为 0 3MPa0 3MPa 控制范围 控制范围 0 30 3 0 02MPa0 02MPa 同时设定压力可调 同时设定压力可调 4 4 设定自动 手动 设定自动 手动 5 5 各种所需保护 各种所需保护 6 6 面板上有压力 频率 电压等显示 面板上有压力 频率 电压等显示 1 51 5 可行性分析 节电分析可行性分析 节电分析 在城市配水管网的压力经常或周期性的室内所需要的供水压力 室内用水量较大且不均在城市配水管网的压力经常或周期性的室内所需要的供水压力 室内用水量较大且不均 匀时 匀时 供水不足或过剩的情况时有发生 这种不平衡集中反映在压力上 用水多而供水少 供水不足或过剩的情况时有发生 这种不平衡集中反映在压力上 用水多而供水少 压力低 用水少而供水多 则压力大 若能保持供水的压力恒定 可使供水和用水之间保压力低 用水少而供水多 则压力大 若能保持供水的压力恒定 可使供水和用水之间保 持平衡 从而提高供水的质量 为了达到这一目的避免传统的供水措施的缺陷和不足持平衡 从而提高供水的质量 为了达到这一目的避免传统的供水措施的缺陷和不足可采可采 用用采用变频恒压供水系统 采用变频恒压供水系统 根据理论分析 当电源电压一定时 电机消耗的功率与其转速的立方成正比 即根据理论分析 当电源电压一定时 电机消耗的功率与其转速的立方成正比 即 3 2 1 2 1nnNN 其中其中 N1N1 和和 N2N2 是电机消耗的功率 是电机消耗的功率 n1n1 和和 n2n2 是相应于是相应于 N1N1 和和 N2N2 的转速 当水泵的转速 当水泵 的扬程一定时 其出水量与转速成正比 即 的扬程一定时 其出水量与转速成正比 即 2 12 1nnQQ 其中 其中 Q1Q1 和和 Q2Q2 表示相应于表示相应于 n1n1 和和 n2n2 的水泵的出水量 因此在维持水泵压力恒定的条件的水泵的出水量 因此在维持水泵压力恒定的条件 下 通过调整水泵机组的转速从而调整水泵的出水量 就可以大大节约电机所消耗的功率下 通过调整水泵机组的转速从而调整水泵的出水量 就可以大大节约电机所消耗的功率 而达到节能的目的 我国国家科委和国家经贸委而达到节能的目的 我国国家科委和国家经贸委 中国节能技术政策大纲中国节能技术政策大纲 中把泵和风机中把泵和风机 调速技术列为国家九五计划重点推调速技术列为国家九五计划重点推 广节能技术项目 应当指出 变频恒压供水节能效果主广节能技术项目 应当指出 变频恒压供水节能效果主 要取决于用水流量变化情况及水泵合理选配 使变频要取决于用水流量变化情况及水泵合理选配 使变频 恒压供水具有优良节能效果 变频恒恒压供水具有优良节能效果 变频恒 压供水宜采用多泵并联供水模式 由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水 压供水宜采用多泵并联供水模式 由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水 其中一台泵是变频泵 其余全是工频泵 多泵并联变频恒压变量供水工作模式通常是这样 其中一台泵是变频泵 其余全是工频泵 多泵并联变频恒压变量供水工作模式通常是这样 当用水流量小于一台泵工频恒压条件下流量 由一台变频泵调速恒压供水 当用水流量增当用水流量小于一台泵工频恒压条件下流量 由一台变频泵调速恒压供水 当用水流量增 大 变频泵转速自动上升 当变频泵转速上升到工频转速 为用水流量进一步增大 由变大 变频泵转速自动上升 当变频泵转速上升到工频转速 为用水流量进一步增大 由变 频供水控制器控制 自动启动一台工频泵投入 该工频泵提供流量是恒定频供水控制器控制 自动启动一台工频泵投入 该工频泵提供流量是恒定 工频转速恒压下工频转速恒压下 流量流量 其余各并联工 其余各并联工 频泵按相同原理投入 频泵按相同原理投入 12 一般的说 变频调速恒压供水方式用于生活供水 节电效率很高 可达一般的说 变频调速恒压供水方式用于生活供水 节电效率很高 可达 50 50 用于工业供 用于工业供 水则在水则在 30 30 40 40 之间 例之间 例 一个居民小区的供水水泵功率为一个居民小区的供水水泵功率为 15kw15kw 每天维持水压和小流 每天维持水压和小流 量供水的时间约占全天的量供水的时间约占全天的 2323 这个时段消耗的电能约 这个时段消耗的电能约 120kw 120kw 在第在第 n n 采样时刻采样时刻 PIDPID 回路回路 输出的计算值输出的计算值 K Kc c PIDPID 回路增益回路增益 e en n 在第在第 n n 采样时刻的偏差值采样时刻的偏差值 e en 1 n 1 在第 在第 n 1n 1 采样时刻的偏差值采样时刻的偏差值 偏差前项偏差前项 K KI I 积分项的比例常数积分项的比例常数 M Minitial initial PID PID 回路输出的初值回路输出的初值 KD KD 微分项的比例常数 微分项的比例常数 由于计算机从第一次采样开始 每一个偏差采样值必须计算一次输出值 因此只需要保存由于计算机从第一次采样开始 每一个偏差采样值必须计算一次输出值 因此只需要保存 偏差前值和积分项前值 利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为偏差前值和积分项前值 利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为 其中其中 M Mn n 在第在第 n n 采样时刻采样时刻 PIDPID 回路输出的计算值回路输出的计算值 K Kc c PIDPID 回路增益回路增益 e en n 在第在第 n n 采样时刻的偏差值采样时刻的偏差值 e en 1 n 1 在第 在第 n 1n 1 采样时刻的偏差值采样时刻的偏差值 偏差前项偏差前项 K KI I 积分项的比例常数积分项的比例常数 M MX X 积分项前值积分项前值 K KD D 微分项的比例常数 微分项的比例常数 2 2 PIDPID 算法改进算法改进 CPUCPU 实际使用以上简化算式的改进形式计算实际使用以上简化算式的改进形式计算 PIDPID 输出 这个改进型算式为输出 这个改进型算式为 M Mn n MP MPn n MI MIn n MD MDn n 其中其中 Mn Mn 第第 n n 采样时刻的计算值采样时刻的计算值 第第 n n 采样时刻的比例项值采样时刻的比例项值 第第 n n 采样时刻的积分项值采样时刻的积分项值 13 第第 n n 采样时刻的微分项值采样时刻的微分项值 K Kc c 增益增益 SPSPn n 第第 n n 采样时刻的给定值采样时刻的给定值 PVPVn n 第第 n n 采样时刻的过程变量值采样时刻的过程变量值 PVPVn 1 n 1 第 第 n 1n 1 采样时刻的过程变量值采样时刻的过程变量值 T Ts s 采样时间间隔采样时间间隔 T TD D 微分时间微分时间 T TI I 积分时间积分时间 M MX X 第第 n 1n 1 采样时刻的积分项采样时刻的积分项 积分项前值积分项前值 根据反馈原理 要想维持一个物理量不变或基本不变 就应该引这个物理量与恒值比根据反馈原理 要想维持一个物理量不变或基本不变 就应该引这个物理量与恒值比 较 形成闭环系统 我们要想保持水压的恒定 因此就必须引入水压反馈值与给定值比较 较 形成闭环系统 我们要想保持水压的恒定 因此就必须引入水压反馈值与给定值比较 从而形成闭环系统从而形成闭环系统 4 4 PIDPID 控制的优点控制的优点 原理简单 使用方便原理简单 使用方便 适应性强 可以广泛应用于化工 热工 冶金 炼油以及造纸 建材等各种生产部门 适应性强 可以广泛应用于化工 热工 冶金 炼油以及造纸 建材等各种生产部门 即使目前最新式的过程控制计算机 其基本的控制功能也仍然是即使目前最新式的过程控制计算机 其基本的控制功能也仍然是 PIDPID 控制控制 鲁棒性强 即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感 鲁棒性强 即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感 2 22 2 确定控制方案确定控制方案 用变频器 调节器 继电器 接触器等组成闭环调节系统 以保正水泵出口压力恒定 用变频器 调节器 继电器 接触器等组成闭环调节系统 以保正水泵出口压力恒定 原理如图所示原理如图所示 事先给定一个压力值事先给定一个压力值 H0H0 H0H0 按用户的水压要求来设定 压力值可调 水泵启动后 压按用户的水压要求来设定 压力值可调 水泵启动后 压 力传感器测量水泵出口处的压力值力传感器测量水泵出口处的压力值 H H 由于用水量大供水相对不足时压力会小 通过比较器 由于用水量大供水相对不足时压力会小 通过比较器 所以当所以当 H H 低于低于 H0H0 时 控制器向变频器发送提高水泵转速的控制信号 反之 因为用水量小 时 控制器向变频器发送提高水泵转速的控制信号 反之 因为用水量小 供水相对过剩时压力大 如果供水相对过剩时压力大 如果 H H 大于大于 H0H0 时 时 控制器则发送降低水泵转速的控制信号 控制器则发送降低水泵转速的控制信号 14 电动机电动机 n 60 1 s fp n 60 1 s fp 电动机的转速和频率成正比 变频调速器则一次调节水泵工作电电动机的转速和频率成正比 变频调速器则一次调节水泵工作电 源的频率 转变水泵的转速 从而达到了以给定压力值为参数的闭环恒压供水系统 变频源的频率 转变水泵的转速 从而达到了以给定压力值为参数的闭环恒压供水系统 变频 器采用器采用 VVVFVVVF 即变压变频调速系统 因为在调节 即变压变频调速系统 因为在调节 f f 时 为了保持调速时电机最大转矩不变 时 为了保持调速时电机最大转矩不变 需维持电机的磁通量恒定 这样就要求定子供电电压也要相应的调节 需维持电机的磁通量恒定 这样就要求定子供电电压也要相应的调节 变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停工作模式 这种供水模式中 变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停工作模式 这种供水模式中 当供水流量少于变频泵恒压工频下流量时 由变频泵自动调速供水 当用水流当供水流量少于变频泵恒压工频下流量时 由变频泵自动调速供水 当用水流 量增大 变量增大 变 频泵转速升高 当变频泵转速升高到工频转速频泵转速升高 当变频泵转速升高到工频转速 由变频供水控制器控制把该台水泵切换到 由变频供水控制器控制把该台水泵切换到 由工频电网直接由工频电网直接 供电供电 不变频器供电不变频器供电 变频器则另外启动一台并联泵投入 变频器则另外启动一台并联泵投入 工作 随用水工作 随用水 流量增大 其余各并联泵均按上述相同方式投入 为延长水泵电机使用寿命 所有水泵依流量增大 其余各并联泵均按上述相同方式投入 为延长水泵电机使用寿命 所有水泵依 次循环起动运行 次循环起动运行 控制系统分手动 自动两档 控制系统分手动 自动两档 2 2 1 手动运行手动运行 但台泵各设一手动和停机按钮 按下启动按钮接通水泵工频 有接触器长开按钮自锁 但台泵各设一手动和停机按钮 按下启动按钮接通水泵工频 有接触器长开按钮自锁 停机时按停机泵 各台泵之间没有互锁 由值班人员自由控制起停停机时按停机泵 各台泵之间没有互锁 由值班人员自由控制起停 2 2 2 自动运行自动运行 压力信号与频率信号的关系压力信号与频率信号的关系 设置一个总开关 按下后先启动一号泵变频 因为只有先达到频率上限才有可能达到设置一个总开关 按下后先启动一号泵变频 因为只有先达到频率上限才有可能达到 压力下限 若达到压力下限频率上限肯定就已经满足了 频率上限是压力下限的必要条件 压力下限 若达到压力下限频率上限肯定就已经满足了 频率上限是压力下限的必要条件 所以由压力下限信号控制泵启动即可 同理频率到达下限时才有肯能达到压力上限 所以所以由压力下限信号控制泵启动即可 同理频率到达下限时才有肯能达到压力上限 所以 用压力上限信号控制停泵 用压力上限信号控制停泵 启动启动 一号泵变频启动后 一号泵变频启动后 KM1KM1 得电 它的常开触点闭合 在信号回路中为接通得电 它的常开触点闭合 在信号回路中为接通 KA1KA1 做好准备做好准备 工作 同时接通工作 同时接通 KA15KA15 KA15KA15 的常开闭合 为压力信号回路的动作做好准备 当压力下限信的常开闭合 为压力信号回路的动作做好准备 当压力下限信 号来临的时候 为防止是不稳定的信号产生的抖动 加时间继电器号来临的时候 为防止是不稳定的信号产生的抖动 加时间继电器 KT0KT0 延时延时 5 5 s s 若在这 若在这 5 5 s s 内压力下限信号消失 时间继电器失电则无法继续延时 触点也不会动作 若压力下限信内压力下限信号消失 时间继电器失电则无法继续延时 触点也不会动作 若压力下限信 号保持号保持 5s5s 以上 则时间继电器以上 则时间继电器 KT0KT0 的常开闭合 接通的常开闭合 接通 KA9KA9 KA9KA9 得电 则得电 则 KA1KA1 的线圈可得的线圈可得 电 后串在电 后串在 M1M1 变频回路的变频回路的 KA1KA1 的常闭断开 切断的常闭断开 切断 M1M1 的变频 为防止当变频还没有切断工的变频 为防止当变频还没有切断工 频就运行 这会导致变频器的输入和输出被串联 所以延时频就运行 这会导致变频器的输入和输出被串联 所以延时 2S2S 再接通再接通 M1M1 的工频 所以在的工频 所以在 KA1KA1 常开闭合时接通常开闭合时接通 KT1KT1 它的常开是串在 它的常开是串在 M1M1 的工频回路中的 延时的工频回路中的 延时 2S2S 后 接通后 接通 KM2KM2 工 工 频开始运行 频开始运行 KM2KM2 得电 它的常闭闭断开 和得电 它的常闭闭断开 和 KM1KM1 形成互锁 形成互锁 4 4 个常开闭合 第一个形成自个常开闭合 第一个形成自 15 锁 第二个使得锁 第二个使得 KM3KM3 得电 接通得电 接通 M2M2 的变频 的变频 M2M2 开始变频运行 第三个接通开始变频运行 第三个接通 KA16KA16 KA16KA16 的的 常开闭合为压力上限回路做好准备 第四个在信号回路中为接通常开闭合为压力上限回路做好准备 第四个在信号回路中为接通 KA4KA4 做好准备 做好准备 如果供水量再次增大 一台工频 一台变频仍然无法满足要求 这时如果供水量再次增大 一台工频 一台变频仍然无法满足要求 这时 KM1KM1 不带电 不带电 KM3KM3 带电 带电 KM3KM3 的常闭为接通的常闭为接通 KA15KA15 和和 KA2KA2 做好了准备 压力下限信号再次来到 经做好了准备 压力下限信号再次来到 经 5S5S 的延时再的延时再 次接通次接通 KA9KA9 KA9KA9 常开闭合 常开闭合 KA2KA2 的线圈得电 的线圈得电 KA2KA2 的常闭断开 也就使的常闭断开 也就使 KM3KM3 失电 断开了失电 断开了 M2M2 的变频运行 同理的变频运行 同理 KA2KA2 常开闭合接通常开闭合接通 KT2KT2 延时延时 2S2S 后接通后接通 KM4KM4 M2M2 开始工频运行 开始工频运行 KM4KM4 得得 电 电 KM4KM4 的的 4 4 个常开闭合 同个常开闭合 同 KM2KM2 一样 第一个形成自锁 第二个使得一样 第一个形成自锁 第二个使得 KM5KM5 得电 接通得电 接通 M3M3 的变频 的变频 M1M1 开始变频运行 第三个接通开始变频运行 第三个接通 KA16KA16 KA16KA16 的常开闭合为压力上限回路做好准备 的常开闭合为压力上限回路做好准备 第四个在信号回路中为接通第四个在信号回路中为接通 KA5KA5 做好准备 现在达到了最大供水状态 做好准备 现在达到了最大供水状态 M1 M2M1 M2 工频运行 工频运行 M3M3 变频 变频 如果停机过后 只有如果停机过后 只有 M3M3 在变频运行 供水量再次增大的时候 在变频运行 供水量再次增大的时候 M3M3 转工频 启动转工频 启动 M1M1 的的 变频 具体过程如前所述 变频 具体过程如前所述 停机停机 若供水量需求降低 管网压力上升 频率下降 到达了压力上限 需要停泵处理 现若供水量需求降低 管网压力上升 频率下降 到达了压力上限 需要停泵处理 现 在的状态 在的状态 KA16 KM2 KM4 KM5KA16 KM2 KM4 KM5 得电 得电 KA16KA16 的常开闭合 为压力上限回路接通做好了准备 的常开闭合 为压力上限回路接通做好了准备 KM2KM2 的常开为的常开为 KA4KA4 接通做好了准备 同时接通做好了准备 同时 KM2KM2 的常闭断开了的常闭断开了 KA5KA5 的回路 这样只有当的回路 这样只有当 KM2KM2 失失 电的时候 电的时候 KA5KA5 才会接通 而才会接通 而 KA4KA4 常闭是串在常闭是串在 KM2KM2 回路上的回路上的 KA5 KA5 的常闭串在的常闭串在 KM4KM4 回路上 回路上 就实现了先停就实现了先停 M1 M1 后停后停 M2M2 M1M1 没有停的情况下没有停的情况下 M2M2 不能停机 不能停机 当压力下限到来的时候 为防止是不稳定的信号产生的抖动 加时间继电器当压力下限到来的时候 为防止是不稳定的信号产生的抖动 加时间继电器 KT4KT4 延时延时 5S5S 若在这 若在这 5S5S 内压力下限信号消失 时间继电器失电则无法继续延时 触点也不会动作 内压力下限信号消失 时间继电器失电则无法继续延时 触点也不会动作 若压力下限信号保持若压力下限信号保持 5S5S 以上 则时间继电器以上 则时间继电器 KT4KT4 的常开闭合 接通的常开闭合 接通 KA10KA10 KA10KA10 得电 得电 KA10KA10 常开闭合 接通常开闭合 接通 KA4KA4 KA4KA4 得电它的常闭断开 得电它的常闭断开 KM2KM2 回路被断开 回路被断开 KM2KM2 失电 失电后失电 失电后 KM2KM2 常闭重新闭合 为接通常闭重新闭合 为接通 KA5KA5 做好准备 如果停一台泵不够 压力上限信号再次到来 同做好准备 如果停一台泵不够 压力上限信号再次到来 同 理 接通理 接通 KA10 KA10 再接通再接通 KA5KA5 KA5KA5 得电它的常闭断开 使得得电它的常闭断开 使得 KM4KM4 失电 断开失电 断开 M2M2 的工频 此时的工频 此时 只剩只剩 M3M3 一台泵变频运行 一台泵变频运行 也有可能压力上限来的时候并没有达到最大的供水状态 比如也有可能压力上限来的时候并没有达到最大的供水状态 比如 M1M1 工频