2频调速定压供水系统的研究与实验

2频调速定压供水系统的研究与实验通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，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，使管通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，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；反之水泵转速减慢,供水量减小,管网压力下降,保持定压供水。目前，住宅小区变频定压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”(即“一拖一”)的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”(即“一拖N”)的多泵控制系统。随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。“一拖N”方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。“一拖N”多泵系统的一般控制要求：（1）多泵循环运行程序控制以“一拖三”为例:先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的动行状态;若变频器再次达到上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，再由变频器去启动3#水泵，供水系统处于“2工1变”的运行状态。反之，若变频器工作频率已下降至下限值(一般设定为25~35Hz)而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于“1工1变”的运行状态;若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定值时，令2#水泵停机，系统回复到1台水泵变频运行状态。如此循环不已。其他的“一拖N”程序控制，依此类推。（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。延时时间根据水泵电机的功率而定:功率越大，时间越长，一般取值2~3s。（3）确保触点相互联连锁在电路设计和PLC(可编程控制器)程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者PLC内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW输出端与工频电源发生短路而损坏。为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如德力西公司的CJX2-N型联锁接触器等。（4）水泵轮换启动控制可以自由设置水泵启动顺序:可设置成1#水泵先启动，也可设置2#、3#或N#水泵先启动。所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。（6）变频器或PLC带有PID调节器PID(比例-积分-微分)调节器的积分环节I(即积分时间)调整应合理:时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。常用的“一拖N”多泵系统控制方式：（1）变频器+PLC这种配置不仅可以灵活地实现上述控制，而且可以实现更多复杂的控制。缺点是需要专业技术人员编制并现场调试PLC程序，安装调试费工、费时，设备投资也较大。（2）变频器+专业供水控制器最近，有的厂家专门为变频恒压供水研制了能实现上述控制要求的专业供水控制器，操作简单，调试方便，功能齐全，产品价格也与“变频器+PLC”接近。2．2．2硬件线路[15]由于本系统的水泵有四台，而变频器只有一台，为了使四台水泵的使用工况接近，需要使四台水泵能够轮流进入变频运行状态，而未按变频运行的水泵也要轮流的处于工频运行，使得各水泵的运行时间接近，延长水泵和系统的使用寿命，为此，在系统上需要进行硬件和软件的特殊设计。为了充分保障系统的安全，本系统采用以下措施：（1）要求对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现互锁。（2）当水泵的功率较大时，为防止直接启动时启动电流过大，需要采用软启动的方法，即用变频器来启动水泵。（3）原先变频运行的水泵在断开变频器后，利用其运行的惯性切换到工频电源，可避免切换过程中电流过大的问题。为了实现恒压供水，首先将供水管道的出口压力值经压力传感器检测，并变送成0~10V的标准信号，送入变频器，经变频器内部A/D采样和PID运算，控制变频器的输出频率，从而控制供水的压力平衡。由于在现场一般存在着各种各样的干扰，为了使控制系统能准确稳定的运行，启用了变频器内部在A/D之前的一级一阶低通滤波器。在PLC软件之中采用平均值滤波的算法去除干扰。2．2．3系统软件[15]软件主要有两大块：一块用于处理PLC从变频器读取控制变量和设定变量。由于USS协议是主—从式协议，所以在PLC软件中，需首先发送一个读取参数的指令，然后进入查询状态，当变频器收到指令，并返回相应的参数时，软件放置好参数值，并发送读取下一个参数的指令。若软件在发出指令之后的255ms之内没有收到反馈指令，则认为通讯故障,要重新发送指令，如果重发三次都不能正常收到反馈指令，则报警处理。第二块是处理水泵运行顺序，控制启停和控制算法的实现。在编制该子块时关键的问题是对各水泵进行编号，并实时的记忆当前的状态，尤其是在切换变频泵到工频泵时，软件必须有一个时延确认的处理，这样可以避免发生变频器受电流冲击的危险。在处理采样各开关量输入信号时，都附加了一个时延确认，以避免频繁的启/停某一水泵。2．3系统的保护功能2．3．1水泵维护和轮换功能为了防止某一台长期不运行的水泵锈死,系统自动每周(或每十天,具体时间可根据实际情况确定)依次轮流启动每一台消防大泵作短时间(如半小时)维护运行一次。同时控制系统定时巡检每一台泵的运行时间,如果某一台泵休息时间太长,则将该泵投入运行,而运行时间最长的泵进入休息状态。系统尽量使每一台泵的运行时间接近,避免某一台泵因运行时间过长而易出现故障的现象,提高了整个系统的可靠性和运行寿命。2．3．2故障检测与报警功能该系统设有水位检测与报警,变频器故障检测与报警,超压(水压)检测与报警及故障处理功能。蓄水池高、低水位的检测与报警是分别采用一只浮球液位开关,当水池中水位高于高位报警设定值时或水池水位低于低位报警设定值时,二者分别给PLC发送开关信号,PLC接收到此信号后,发出报警信号,通知操作人员处理。超压报警只是在特殊情况下(如压力传感器失灵等)出现,当实测压力大大超过设定水压时,则PLC发出报警信号,通知操作人员处理。2．2定压供水系统的设计方案[2]在变频调速定压供水系统中,主要由PLC、变频调速器、软启动器、压力变送器、水位传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。此外还包括空气开关、断路器、接触器和中间继电器等系统保护电器,实现对变频器、电机和PLC的有效保护,以及对电机的切换控制。PLC和变频器作为系统控制的核心,根据给水母管压力与压力设定值的偏差变化情况,自动控制给水泵的投入台数和电机转速,实现闭环自动调节定压供水。其中控制参量的PID算法可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象,缩短系统稳定的时间。控制系统设有手/自动切换开关。选择手动方式时,可分别通过现场控制柜的按钮控制各台泵的单独运行与停止,便于系统调试、定期检修和临时供水。选择自动工作方式时,PLC首先使第一台给水泵变频启动,转速从0开始随频率的提高而上升,此时安装在给水母管上的压力变送器将母管压力反馈给PLC,与预先设定的给定压力进行比较,通过PID运算,调节变频器的输出频率,以维持水压恒定,这种跟踪调节是精确而平滑的,称为细调节。如果该台调速泵调到最大供水量(即对应于50Hz的最高频率)仍达不到压力给定值,则延时一段时间(避免瞬时干扰信号)控制第一台泵进入工频运行,变频器频率从50Hz迅速下降到0Hz,同时使第二台泵变频启动,如水压仍不能满足要求,则重复上述过程启动第三台泵。如此反复,直到压力符合要求;反之,如果变频泵运行降到0Hz时母管压力仍大于给定压力值,则延时一段时间后关闭一台工频水泵,使变频器频率从0Hz迅速上升到50Hz,对水压进行调节,直到母管压力达到设定值,这种调节方式称为粗调节。这样,水泵切换过程是平稳的,不会出现楼上用户短时停水的现象。在单泵运行或多泵并联运行状态下,根据先开先停的原则,只要任意一台泵连续运行超过规定时间(如24小时),便可通过程序控制自动实现停机轮休,以延长泵组的使用寿命。由PLC控制变频调速装置,通过测量给水母管的压力,将其转换成4～20mA的模拟量信号,进而控制变频器的输出频率,调节水泵电机转速,使其自动适应水量变化,稳定供水压力。系统运行中,总有一台水泵处于变频调速状态,而其它为工频恒速或停机等待状态,保持有一台泵由变频电源驱动,实现水压的细调节,以保证调节时间不大于10s,水压波动不超过0.01MPa。当控制系统出现故障而失灵时,可将变频器切至手动操作方式。有些变频定压供水装置在水压高时直接切除一台工频泵,再由变频泵进行调节。这种切泵的方式显然存在供水水压的剧烈变化。在实际设计中,将变频器以工频运行方式转换到正在以工频运行的工频泵上,再逐渐降低频率,实现变频定压供水的无冲击切泵,使水压过渡平稳,防止出现水压大幅度波动及水压为0的短时断水现象,提高了供水质量。在系统工作过程中,由于切换时接触器吸合和释放存在着延时,水泵电机在切换到电网时会产生较大的电流冲击,设计中可适当使切换频率大于50Hz,就可以尽量减小冲击电流。若无人值班时突然停电,在恢复供电后水泵无法启动而造成断水。设计中可设置为变频自启动方式,在电源恢复后,PLC控制报警器报警,然后按自动运行方式变频启动水泵,直到稳定地运行在给定水压值。为防止变频器50Hz驱动与市电50Hz驱动时电机输出功率不同而造成反复加泵/减泵现象,程序中加泵/减泵的切换点设置为不是刚好等于设定值,加泵时压力值为“设定值-Δ”,减泵时判断点为“设定值+Δ”。其中Δ根据水压控制的精度要求而进行相应的设置。在供水系统中,通常将压力变送器的模拟输出信号送到PLC的A/D转换模块,再将转换的数字量输入到PLC中进行处理。由于A/D转换模块价格都比较高,增加了系统的成本。在实际设计中采用以压频转换器LM331为核心的压频转换电路,将压力变送器输出的0～10V模拟电压信号转换成对应的频率信号送入PLC的高速计数器中进行计数,计数结果作为水压检测值。PLC将其与水压设定值比较后经内部PID运算,得出控制量,由PLC输出PWM信号,再经低通滤波后作为变频器所需的控制电压。这样既能实现相应的检测和控制功能,又省去了价格昂贵的A/D转换模块,提高了整个系统的性价比。2．2．1变频定压供水控制方式变频调速定压供水控制装置能够极大地改善给水管网的供水环境，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端保持在恒定的设力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。其工作原理如图2.2所示目录第一章绪论11．1二次供水的发展现状11．1．1传统的供水方式11．1．2定压供水方式21．2变频调速技术的国内外发展现状31．2．1我国变频调速技术的发展概况31．2．2国外现状61．2．3未来的发展方向61．3变频定压供水系统的参数选取81．4论文的目的意义及研究内容91．4．1目的及意义91．4．2研究内容10第二章定压供水控制系统方案122．1控制方案及运行特征122．2定压供水系统的设计方案132．2．1变频定压供水控制方式152．2．2硬件线路162．2．3系统软件172．3系统的保护功能172．3．1水泵维护和轮换功能172．3．2故障检测与报警功能18第三章系统设计方案及实施193．1系统控制工艺流程设计193．2ACS40/ABB变频器203．3水泵手动控制系统223．4水泵自动控制系统23第四章四泵恒压供水程序设计及控制算法294．1程序设计及注解说明294．2控制算法原理42结束语45参考文献47附录49附录A：程序清单49附录B：软件流程图57附录C：硬件图58摘要本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗高、供水可靠性低的问题加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的PLC控制的恒压供水系统。全文共分为四章。第一章阐明了恒压供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。第二章对本系统的总体方案进行了介绍和论证，其中包括系统的工艺要求，系统的组成和基本工作原理。第三章着重介绍控制系统的硬件部分的设计方法及具体实现。第四章对系统的软件程序设计以及控制算法做了详细介绍。本文采用可编程控制器（PLC），利用变频调速控制技术，借助传感器和执行器等现代工业控制常用的控制部件及其相关控制算法，设计并实现了变频调速定压供水系统。该系统具有结构简单、操作简便、运行可靠等特点。可以大大提高二次供水的可靠性，与气压供水设备相比可节能20％以上。关键词：可编程序控制器变频器PID定压供水周波数変换変速定圧给水システムの研究と実现摘要本文は主に今の给水システムに存在しているオートメーション程度が高くない、エネルギーの耗损が高い、给水确実性の低くの问题に対して研究し，その三つの方面で高まってある新たなPC制御の定圧给水システムを开発するのである。全文は４章にしてある。第一章は，定圧给水システムの応用背景、选题意义及び主要研究内容を明确してある。第二章は，本システムの総体方案に対して绍介し、论证してある。中には，システムの工业技术の要求、システムの组成と基本原理が含まれてある。第三章は，制御システムのハードウェア部分の设计方法と具体実现に対して重点的に说明してある。第四章は，システムのソフトウェアのプログラム设计と制御算法に対して详しく说明してある。本文はPCを采用し，周波数変换変速制御技术を利用して，センサーと执行器などの现代工业制御で常用する制御部件及び相関する制御算法を使って周波数変换変速定圧给水システムを设计実现してある。このシステムは构造の简単、操作の简便、运行の确実性などの特长がある。システムは２回给水の确実性をアップすることができるし，気圧给水设备と比べると省エネルギーの20％以上である。キーワード：PC、周波数変换器、PID、定圧给水第一章绪论城市供水系统担负着为生产和日常生活供水和消防用水的重要任务。在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉供热和定压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的水塔、高位水箱、气压增压等设备，不但占地面积和设备投资大，维护困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法，难以保证供水的实时性，且能量浪费严重。目前国内城市供水系统的控制和管理还处于相当落后的局面,与国外相比有着很大的差距。总体自动化监控程度低,大部分的供水系统仅有单级的常规控制。随着国民经济的飞速发展,对供水系统提出了更高的要求,所以必需对现有供水系统的控制和管理进行改造,向着高度自动化乃至无人化供水系统的方向发展,以达到减员增效和提高管理水平的目的。随着交流电机变频调速技术的完善，变频调速定压供水系统克服了传统方法的缺点，成为比较完善的供水系统。开发可靠性高、控制性能好的定压供水系统具有很高的实用价值。1．1二次供水的发展现状1．1．1传统的供水方式一般城市管网的水压为1.4-2.4kg/cm2，只能保证6层楼以下楼房的用水，6层以上各楼层均须提升水压才能保证用水要求，以前大多采用传统的水塔，高位水箱或是气压增压设备，但它们都必须有水泵以高出实际用水高度的压力来提升水量，增大了水泵的轴功率和能耗。水箱/水塔供水：系统供水是由水箱/水塔直接供应，用上水泵把水送入高位水箱，水箱中的水靠重力自流向用户供水，即为重力供水。它是由位置高度所形成的压力来进行供水的，因此，必须建造高大的水塔或在建筑特屋顶建立贮水箱。由于水箱和水塔的容积是一定的，在用水高峰常常不能满足供水要求。同时，由于其存水量大，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。此外，水箱和水塔的贮水，增加了水被二次污染的机会。气压供水系统：气压供水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在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水塔或高位水箱，利用密闭压力罐内的压力将水压送入管网，其优点是灵活性大，建设快，少受污染，利于抗震等；缺点是体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需空气压缩机充气。因此，耗费动力较多，维护费用高。1．1．2定压供水方式定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。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、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现定压供水。该技术以在供水行业普及。变频定压供水系统主要特点：1、节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。2、占地面积小，投入少，效率高。3、配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。4、运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。5、由于变频定压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。6、通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。变频调速定压供水系统，无须贮水箱或塔，它由单台泵或多台泵将水源的水直接打入用户主管网中，根据用水量随时调速水泵的速度和水泵运行的台数，以保持管网压力恒定。在用水高峰能保持恒定水压，在用水低谷或无人用水时，可调低水泵运行速度或进入睡眠状态，具有显著的节能效果。除此之外，该系统还具有设备占地面积小，综合造价低，减轻水质二次污染，便于使用和维护等优点。普通循环软启动变频供水设备：该类型设备在实际应用中较多系统由水泵机组循环软启动变频柜，压力仪表管路系统等构成变频柜由变频调速器PLC低压电器等构成系统一般选择同型号水泵2~3台以3台泵为例系统的工作情况如下：平时1台泵变频供水当1台泵供水不足时先开的泵倒为工频运行变频柜再软启动第2台泵，若流量还不够第2台泵倒为工频运行变频柜再软启动第3台泵，若用水量减少按启泵顺序依次停止工频泵直到最后1台泵变频定压供水。另外系统具有定时换泵功能，若某台泵连续运行超过24h变频柜可自动停止该泵切换到下一台泵继续变频运行。换泵时间由程序设定可按要求随时调整，这样可均衡各泵的运行时间延长整体泵组的寿命。该系统一般适用于规模较小的多层住宅小区(如300户以内)或其它小规模用水系统水泵功率一般不超过7.5kW，另外也适用于小流量用水时间很短或用水量变化不大的其它场合如循环水系统。基于PLC的定压供水系统：[7]可编程逻辑控制器(PLC)及其网络是现代工业自动化的支柱之一,由于近年来PLC的数据运算处理、图形显示、联网通信功能得到了很大的加强,使得PLC得以向过程控制渗透和发展。过程控制通常是指工业生产中连续的或按一定周期进行的生产过程自动控制。在过程控制领域,PID是最主要的调节器之一,其原理简单、适用性和鲁棒性强,最突出的特点是它不依赖于对象精确的数学模型,因此可以解决工业过程精确建模时的困难。有一种用于教学和培训用途的定压供水系统。系统具有自动水循环功能,控制模型采用典型的工业过程控制(PID)。通过远传压力表采集系统供水压力并传送给PLC,经过PLC中的PID算法程序得到输出控制信号,控制变频器改变水泵电机转速,从而实现定压供水功能。此系统中使用的硬件设备,主要包括PLC、FlexI/O、DeviceNet、变频器、SMC电机软启动器、操作员终端等,都是美国公司的产品。系统功能的实现过程如下：系统工作时先通过SMC软启动,正常运转后,将控制切换到变频器控制档,进入变频定压供水工作状态，使整个系统受ControlLogix处理器的控制。在此之前应通过操作员终端向处理器发送变频起动命令,使水泵起动,然后变频器接管对水泵的控制,定压供水过程开始。此时,远传压力表将水的压力信号转换成为0～5V的电压信号,FlexI/O的模型量输入模块获得这个电压信号后,将A/D转换后的信号交给处理器,由处理器交给PID程序处理。程序将PID调节的输出通过设备网通讯模块传到变频器的控制端口,从而改变变频器的输出,由此改变水泵的转速。水循环回路中的水压随之发生变化,远传压力表采集到的这些变化,再次交给处理器,由此实现闭环控制,使水压稳定在设定值,实现系统的定压供水。目前各种PLC都提供相应的PID控制指令和相应的回路调节软件。因此,将PLC应用于PID控制,能够使控制系统小型化,使控制模块高度集成,且易于操作和维护。又由于PLC可通过FlexI/O连接局域网,使得系统的远程控制成为可能。1．2变频调速技术的国内外发展现状1．2．1我国变频调速技术的发展概况电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%～20%或更多)，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国电气传动产业始建于1954年，当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来的天津电气传动设计研究所的前身。我国电气传动与变频调速技术的发展简史见表1。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。表1我国电气传动与变频调速技术的发展简史技术特征应用年代带电机扩大机的发电机-电动机机组传动★50年代初～70年代中汞孤整流器供电的直流调速传动★★50年代后期～60年代后期磁放大器励磁的发电机-电动机机组传动60年代初～70年代中晶闸管变流器励磁的发电机-电动机机组★★★60年代后期～70年代后期晶闸管变流器供电的直流调速传动70年代初～现在饱和磁放大器供电的交流调速传动60年代初～60年代后期静止串级调速交流调速传动70年代中～现在循环变流器供电的交流变频调速传动80年代后期～现在电压或电流型6脉冲逆变器供电的交流变频调速传动80年代初～现在BJT(IGBT)PWM逆变器供电的交流变频调速传动90年代中～现在★我国第1台电机扩大机是在1955年制造出来的。★★我国第1台汞孤整流器(5A，600V)是在1952年制造出来的。★★★我国第1只晶闸管(5A，400V)是在1963年制造出来的。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。目前国内主要的产品状况如下：(1)晶闸管变流器和可关断器件(BJT、IGBT、VDMOS)斩波器供电的直流调速设备。这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务多，以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多，所以在短期内市场不会缩减很多。国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。(2)IGBT或BJTPWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产，其中合资企业占很大比重。(3)负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。(4)交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。(1)应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。(2)是节约能源的高新技术。(3)是国际上技术更新换代最快的领域。(4)是高科技领域的综合性技术。(5)是替代进口，节约投资的最大领域之一。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10～15年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。国内交流变频调速技术产业状况表现如下。(1)变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。(2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。(3)相关配套产业及行业落后。(4)产销量少，可靠性及工艺水平不高。1．2．2国外现状在大功率交-交变频(循环变流器)调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10～2600kVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100～900kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA,IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。国外交流变频调速技术高速发展有以下特点。(1)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，并取得显著的经济效益。(2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。(3)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。(4)基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。1．2．3未来的发展方向交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的硬、软件开发问题(在目前状况下主要是全数字控制技术)。其主要发展方向有如下几项。(1)实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。(2)开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。(3)缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。(4)高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。(5)模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。主要的研究开发项目有如下各项。(1)数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如4象限运行，带有电机参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。(5)风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后可节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法是当今重大课题。主要的研究内容及关键技术有如下各项。(1)高压、大电流技术：①动态、静态均压技术(6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压系数大于0.9)；②均流技术(大功率晶闸管并联的均流技术，均流系数大于0.85)；③浪涌吸收技术(10kV、6kV回路中)；④光控及电磁触发技术(电/光，光/电变换技术)；⑤导热与散热技术(主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术，如热管散热技术)；⑥高压、大电流系统保护技术(抗大电流电磁力结构、绝缘设计)；⑦等效负载模拟技术。(2)新型电力电子器件的应用技术：①可关断驱动技术；②双PWM逆变技术；③循环变流/电流型交-直-交(CC/CSI)变流技术(12脉波变频技术)；④同步机交流励磁变速运行技术；⑤软开关PWM变流技术。(3)全数字自动化控制技术：①参数自设定技术；②过程自优化技术；③故障自诊断技术；④对象自辨识技术。(4)现代控制技术：①多变量解耦控制技术；②矢量控制和直接力矩控制技术；③自适应技术。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。我国以后在变频调速技术方面应积极做的工作如下：(1)应用变频调速技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益。(2)大力发展变频调速技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。(3)规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性及工艺水平，实现规模化、标准化生产。变频调速器是优秀的交流电动机调速装置．若我们正确地应用变频器，它则能显著地节省电力，在节能领域时里得到广泛地应用。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术,它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域,特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要,对定压供水压力有着严格的要求,因而变频调速技术得到了更加深入的应用。1．3变频定压供水系统的参数选取（1）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗定压供水。这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力定压控制，另一个就是泵出口压力定压控制。两者如何选择，我们来简单分析一下。管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。而泵出口压力定压控制时，则Ha不变，用水量由QMAX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb-H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了定压供水的目的。（2）、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。1．4论文的目的意义及研究内容1．4．1目的及意义传统的恒速泵供水系统，供水压力不能调节，用水量的变化造成管道压力大幅变化，压力大时造成管路损坏，电能损耗大。水塔供水和压力罐供水造价高，占地面积大，水泵起动频繁，由于水锤效应的影响，水泵容易损坏，维修费用高。研究变频定压供水系统的目的是设计具有供水压力调整方便、精度高、占地面积小、灵活性强、投资小、高效节能等优点的供水系统，控制系统内置微电脑控制器，可实现全自动定时供水，彻底实现无人值守自动供水，具有过流、过载、过压、欠压、缺相、失速、过热等多种保护功能，水泵起动方式为软起动，无水锤效应，对电网和水泵无冲击，延长了水泵及电器的使用寿命，增加了系统的可靠性，控制系统具有故障报警和显示功能，并可进行工频直接运行，应急供水。相对与传统的加压供水方式，变频定压供水系统的意义突出的体现在以下几个方面：1.高效节能变频定压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。2.恒压供水变频定压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。3.安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。4.自动运行、管理简便新型的小区变频定压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5.延长设备寿命、保护电网稳定使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。6.占地少、投资回收期短新型的小区变频定压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节