变频器恒压供水(单泵)

摘要自从通用变频器问世以来，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，使我国供水行业的技术装备水平从90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，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时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。在实际应用中得到了很大的发展。关键词变频器；恒压供水；变频调速；供水系统目录1引言12变频调速恒压供水系统（单泵）简介221恒压供水系统基本特性222恒压供水控制系统构成323恒压供水系统的特点43设计任务要求及设及原理531控制要求532设计要求533设计原理64变频器恒压供水系统设计方案741系统主电路设计742控制电路的设计75变频器及主电路中电气设备的选择及介绍951变频器选型952主电路中电器设备的选择1053可编程控制器PLC的介绍12531PLC的定义及特点12532PLC的工作原理136变频器参数的设置147总结16参考文献171引言供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式1单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。2恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的S7200PLC和变频器MM430，S7200PLC具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器MM430具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2变频调速恒压供水系统（单泵）简介21恒压供水系统基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下,扬程H与流量Q之间的关系曲线FQ，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q之间的关系。由图21的扬程特性表明，流量Q越大，扬程H越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量Q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程H与供水流量Q之间的关系HF（Q）。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水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1可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大，流量Q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图21中N点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，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。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程HN稳定，供水系统的压力也保持恒定。0NQH管阻特性扬程特性QNHN图21供水系统的基本特性22恒压供水控制系统构成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。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，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。供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器PLC的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对水泵的调节控制。图22恒压供水系统方框图水压由压力传感器的信号420MA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。西门子系列PLC编程采用STEP7软件，它是西门子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，并能实现梯形图与语句表的相互转换。系统程序包括主程序和起动子程序，主程序包括参与调节程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。起动子程序实际上是清零子程序。在主程序中，设置两个变频器频率上下限到达滤波时间继电器，用于稳定系统。23变频恒压供水系统的特点1节电优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行。2节水根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。3运行可靠由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。4联网功能采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压电流工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。5控制灵活分段供水，定时供水，手动选择工作方式。6自我保护功能完善如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。3设计要求及设计原理31控制要求本系统是以一个供水系统作为被控对象，PLC与变频器协调控制电机的转速与启动和停止。（1）工艺参数水泵流量295M3/H水泵出口压力008MPA（2）水泵参数型号125H13额定流量793M3/H扬程323M功率803KW额定转速1450R/MIN配用电机功率100KW（3）电动机参数型号JDL394功率100KW额定频率50HZ额定电压380VAC；额定转速1470R/MIN额定电流1882A（4）水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。（5）变频器采用远方控制方式。（6）变频器的频率由420MA电流信号控制。（7）变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。（8）变频器的报警处理。32设计要求（1）根据变频器恒压供水系统控制要求，选择变频器型号。（2）选择其他电器设备型号。（3）变频器恒压供水系统的电气控制线路的设计（包括主回路和控制回路）。（4）电气图按A4大小设计（CAD画图）。（5）电气图形符号和文字符号要符合国家最新标准。（6）变频器参数设置。33恒压供水的变频控制原理用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。其优点是1）起动平衡，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的使用寿命；3）可以消除起动和停机时的水锤效应；一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。为了全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，我们使用PLC进行PID运算和监控。PID闭环反馈控制原理如图33所示管网压力值PLCPID调节D/A转换变频器频率电机转速压力传感器A/D转换F1F2NET设定压力值Y图33闭环控制原理图4变频器恒压供水系统设计方案41系统主电路设计图41系统主电路图采用了一台变频器连接一台电动机，接触器KM3控制M1的工频运行；接触器KM1控制M1的变频运行；FR1为水泵电机过载保护用的热继电器；QF1、QF2为变频器和两台水泵电机主电路的空气低压断路器；FU为主电路的熔断器，用作短路保护。三相电源经低压熔断器、自动空气低压断路器接至变频器的L1、L2、L3端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机由变频切至工频运行时，应先将变频器停车，再将变频器输出端的接触器断开，避免变频器输出端接断路，再接通工频运行的接触器。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通，所以KM1和KM3相互之间必须设计可靠的互锁。开关KM6控制变频器的启停，由PLC给出启动或停止信号，变频器启停。42控制电路的设计按钮SB1用来启动启动工作循环，它作为开关量输入I00；按钮SB2用来停止工作循环，使PLC回到初始状态，它作为开关量输入I01；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入一个可以设置上下限位来输出开关量的数显表，当水池液位低于或超出上下限时，数显表输出高电平1，送入I02；变频器的故障输出端与PLC的I07相连，作为变频器故障报警信号；变频器频率达到上限信号与I03相连；变频器频率到达下限的信号与I04相连。本变频恒压供水系统有6个数字量输出信号。Q00输出启动变频器信号；Q01、Q03为水泵电机的工频/变频运行信号；Q04输出泵故障报警灯信号；Q05输出液位报警灯信号；Q6输出变频器故障报警灯信号。图42系统控制电路示意图5变频器及主电路中电气设备的选择及介绍51变频器选型根据变频器容量进行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。L4L5L6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PCNPM512满足电动机容量PCN3KUEIECOS103523满足电动机电流ICNKIE53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18926A，故取200A。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MM430110K型号的变频器，他配接电机的容量是100KW，额定电流为1882A满足使用需求，可以选择。52主电路中电器设备的选择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（23）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QNI54NQNII413其中为变频器的额定电流。故选择断路器额定电流选择350A。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400A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1882A,可以选择主触点额定电流为200A的NKI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U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U55N32的计算公式是U5610VLRIMN式中额定相电压，V；N电动机额定电流，A；MI单位长度（每米）导线的电阻，M/M；0R导线的长度，M。由上两式可直接求出的取值范围。根据L0RRO值确定导线面积。由公式（55）得114）V67U由公式（56）得069M/M104M/M0R根据表51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。2M表51常用电动机引出线的单位长度电阻值。标称截面/MM21015254060100160250350/M/M0R17811969244029217311006904953可编程控制器PLC的介绍531PLC的定义及特点在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER），英文缩写为PC，并作如下定义“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。PLC的特点如下1、高可靠性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RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020MS3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。2、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。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、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。5、安装简单，维修方便532PLC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。6变频器参数的设置（1）设定P001030和P09701，按下P键，开始复位，复位过程大约3MIN，这样就可保证变频器的参数回复到工厂默认值。（2）设置电动机参数，为了使电动机与变频器相匹配，需要设置电动机参数。电动机参数设置见表61。电动机参数设定完成后，设P00100，变频器当前处于准备状态，可正常运行。表61电动机参数设置参数号出厂值设置值说明P000311设定用户访问级为标准级P001001快速调试P010000功率以KW表示，频率为50HZP0304230380电动机额定电压（V）P03053251882电动机额定电流（A）P0307075100电动机额定功率（KW）P03105050电动机额定频率（HZ）P031101470电动机额定转速（R/MIN）P390001结束快速调速（3）设置面板操作控制参数，见表62。表62面板基本操作控制参数参数参数说明参数参数说明P00033用户访问级别为专家级P073153B数字输出1为电机频率已达上限输出P07002选择命令源，选择为端子启停P073253A数字输出2为电机频率低于下限输出P10001频率设定选择为键盘设定P0733523数字输出3为变频器故障输出P108020HZ限定电机的下限频率P22001闭环控制选择，PID功能