变频恒压供水设计说明书

1、交流调速课程设计说明书 2013年 5 月 31 日目 录 一、设计目的 2 二、设计任务 2 2.1 设计内容 2 2.1 设计原始资料 2 三、方案论证 3 3.1 供水方式 3 四、变频恒压供水系统理论分析 3 4.1 离心泵的工作特性 3 4.2 变频调速原理 4 五、方案设计 5 5.1主电路设计 5 5.2控制电路设计 5 5.3 软件设计 7 六、元器件的选型 9 6.1 水泵电机的选择9 6.2 变频器的选择9 6.3 低压断路器的选择10 6.4 接触器的选择11 6.5 热继电器的选择11 6.6 中间继电器的选择11 6.7 压力传感器的选择12 6.8 PID 调节器的

2、选择12 6.9 数字频率计的选择12 七、使用说明书12 八、总结 13 参考文献 13 附录（元件明细表、指令语言、电气原理图、梯形图）14一、设计目的 初步掌握交流变频调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。提高调速系统设计方面的实践技能，培养综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。二、设计任务2.1 设计内容（论文阐述的问题）变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计是电气工程及其自动化专业交流调速课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流变频调速系统的设计方法

3、及理论知识的应用能力。本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。2.2 设计原始资料（实验、研究方案） 一楼宇供水系统，正常供水量为35m3/小时，最大供水量40m3/小时，扬程25米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。设计要求：1设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水泵供 水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。2. 二台泵可以互换。3给定压力可调

4、。压力控制点设在水泵出口处。4具有自动、手动工作方式，各种保护、报警置。 采用OMRON CPM1A PLC、富士变频器完成设计。2.3 设计完成后提交的文件和图表1. 课程设计说明书，包括：方案的确定系统的工作原理水泵电机的容量、主电路元件型号的确定。 操作使用说明书。 2、图纸部分： 电气控制原理图3、 方案论证3.1 供水方式 方案一：管网供水，设备简单，在室外管网的水压在任何时候都能满足室内管网最不利点所需的水压，并能保证官网昼夜所需的流量时，常用的给水方式。 方案二：能储备一定量的水，但是高位水箱重量大，位于屋顶，需要考虑建筑的承重力问题，且存在二次污染。 方案三：气压式供水，将高位

5、水箱用一个密闭的容器（压力罐）取代，具有调节和贮存水量、保持需要压力的作用。压力罐可根据情况，安装于任何适宜的地点，无二次污染的问题，也无建筑承重力的考虑。 方案四：变频恒压供水，有压力传感器、变频器、PLC、调节器构成的单闭环负反馈调速系统。具有高效节能，用水压力恒定、延长设备使用寿命、功能齐全的特点，无二次污染的问题，也无建筑承重力的考虑。 经综合分析比较，并结合设计要求，选用变频恒压供水的方式。4、 变频恒压供水系统的理论分析变频恒压供水的系统调节原理框图如下图所示：4.1 离心泵的工作特性 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

6、程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)，如图4-1所示。 图1-1供水系统的基本特征 由图可以看出，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(u)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 J (Qu )。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

7、供水流量Qc之间的关系H f (Qc )。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，如图中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc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4-1供水系统的基本特征。4.2 变频调速原理交流电动机的转速表达式：n=120f (1-s)/P （式4-2）参数说明：n水泵电机转速 f电机电源频率 P电机极数 s转差率 有式（4-1）可知，均匀的改变电机频率f,就可以平滑的改变电机的同步转速，即可改变电机转速。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速方式。5、 方案

8、设计5.1 主电路设计主电路原理图如图5-1所示： 图5-1利用低压断路器进行短路、欠压保护，热继电器进行过载保护，接触器控制主电路的通断，中间继电器KA控制自动状态，水泵电机的接通，压力传感器检测管网实时压力，将420mA的直流信号传送至PID调节器，经PID调节，将420mA的直流信号传送至VVVF变频器，变频器由此改变输出频率，控制电机转速，实现闭环负反馈控制，以此实现变频恒压供水。当然也有相应的手动运行状态可操作。5.2 控制电路设计根据系统的控制要求，采用OMRON CPM1A系列PLC为中心控制单元，根据控制要求列出I/O分配表如下：PLC控制的I/O分配表输入输出现场信号PLC地

9、址现场信号PLC地址工作方式切换旋钮SA100000电源接触器KM01000工作泵选择SA200001电源接触器KM101001启动按钮SB1(自动)00002电源接触器KM201002停机按钮SB2(自动)00003电源接触器KM301003M1启动按钮SB3(手动)00004电源接触器KM401004M1停机按钮SB4(手动)00005中间继电器KA01005M2启动按钮SB5(手动)00006紧急停机指示灯HL001006M2停机按钮SB6(手动)00007VVVF故障指示灯HL701007紧急停机按钮SB00008M1过载指示灯HL801100液位下限信号SL00009M2过载指示灯H

10、L901101VVVF故障信号00010液位下限指示HL1001102热继电器触点FR100011报警器HA01103热继电器触点FR200100有I/O分配表可知，需要输入/输出点数为13/12点。增加10%20%的可扩展余量后，得到输入/输出点数为16/15点。因此选用OMRON CPM1A系列PLC作为中心控制单元，其I/O点数为40点，其中输入/输出点数分别为24/16，输入接口模块的外部接线方式为汇点式，输出接口模块的外部接线方式为分组式。根据控制要求及I/O分配表，设计控制电路PLC外部接线图如下图5-2: 图5-25.3 软件设计根据控制要求及I/O分配表编写梯形图如下：将SA1

11、置于常开位置，系统处于手动运行状态，接入电源，按下启动按钮SB3(或者SB5)，输出点01002（或者01004）被接通，电机M1(或者M2)启动，处于手动运行状态，当按下停机按钮SB4（或者SB6）时，电机停机。当水池液位达到液位下限（或者电机过载），相应的运行M1（或者M2）电机便会自动停机。将SA1置于常闭位置， 系统处于自动运行状态，将SA2置于常闭位置时，按下自动状态启动按钮SB1，电机M1（或者M2）以及变频器的接触器触KM1(或者KM3)、KM触点闭合，将SA2置于常闭位置时，电机M1为工作泵，M2为备用泵，反之，M2为工作泵，M1为泵用泵。当电机M1(或者M2）过载时，备用泵M

12、2(或者M1)自动投入运行，其中20000、20002、20004是内部辅助继电器，2000是自动运行启停控制,20002、2004分别是M2、M1过载时，泵用泵自投的接通。按下停机按钮SB2，电机与变频器均失电停机。当水池液位达到液位下限（或者变频器故障）电机以及变频器自动失电停机。电机M1（或者M2）以及变频器的接触器触KM1(或者KM3)、KM触点闭合，经TIM000延时30s,中间继电器看KA得电，其常开闭合，变频器FWD点闭合，电机M1(或者M2)得电，当电机M1(或者M2）过载时，同时中间继电器KA也会失电，变频器FWD点断开，备用泵M2(或者M1)自动投入，经TIM000延时30

13、s，KA得电，电机被接通，正常工作。电机过载，液位到达液位下限，变频器故障的指示灯点亮，与报警。6、 元器件的选型6.1 水泵电机的选择水泵电机采用离心式水泵，由离心泵功率计算公式： P=流量（Q）扬程（H）9.81介质比重3600泵效率（）设计要求：Qmax=40m3/h，H=25m，水的比重=1000kg/m3，取离心泵效率为=60%，则离心水泵的功率:P=40259.811000/(360060%)=4541.7W4.542KW。选择型号为CK50/32LB的离心泵。其技术参数如下：流量：6.1112.22L/S(21.943.9m3/h)，扬程：26-29.4m，转速：1450r/mi

14、n，电机功率：7.5KW，效率：47%-60%，轴功率：5.34KW，以效率47%来算看所选水泵电机功率是否满足要求，则有： P=40259.811000/(360047%)=5797.9W5.798KW7.5KW，水泵可达流量及扬程值也都在设计要求的范围内，因此选用CK50/32LB满足要求。6.2 变频器的选择泵类负载在静态、动态性能指标及裹在能力方面呢要求较低，其负载转矩与速度的二次方成正比，故变频器选型时以廉价为主要原则，选择普通功能型变频器。在这里，选用富士FRN7.5G11S-4JE变频器。其控制电路接线及端子功能介绍如下：（1） 模拟输入端子（13、12、C1、11） 外界电位器

15、用电源。 设定电压信号输入，从12和公共端11输入，进行频率设定，输入 阻抗为220K，输入直流电压010V，亦可输入PID控制的反馈信 号。 设定电流信号输入。从C1和公共端11输入，进行频率设定，输入 阻 抗为250，输入直流电流为420mA,亦可输入PID控制的反馈信号。（2）开关量输入端子（FWD、CM） FWD为正传开/停，CM为其公共点。（3） 开关量输出端子（FMP、CM、30A、30B、30C） 总报警输出继电器，有30A、30B、30C输出，触电容量为AC250V/0.3A， 可控制总报警输出保护动作的报警信号。 数字脉冲计数输出，从FMP和公共端CM输出脉冲波形输出监视信号

16、。 可接数字频率计。6.3 低压断路器的选择低压断路器具有过载、短路、欠电压保护作用，其额定电流及过电流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护电路的计算电流。所选择电机M1、M2的功率均为7.5KW，则有：，功率因数取0.9，,得M1、M2的额定电流为：变频器额定电流I12.66A，稍大于12.66A。则所用于控制总电源通断的断路器QF的额定电流约为：故，在此处，QF选用天水二一三GSM1-63L/3的三极低压断路器，其电流调整范围为663A。控制各电机线路电源及变频器通断的断路器QF1、QF2、QF3的额定电流均约为为：故，在此处QF1、QF2、QF3选用天水二一三GSM1-63L/3三极低压断

17、路器，其电流调整范围为663A，可以满足要求。PLC正常工作电源为AC220V,其工作电流比较小，甚至不到1A，故，控制PLC电源通断的低压断路器QF4 ，选用天水二一三DZX4-3/2两级低压断路器, 其额定电流为3A。控制PLC输出负载通断的低压断路器QF5，其额定电流约为各负载额定电流之和，指示灯、报警器的额定电流都比较小，因此主要为通过接触器线圈的额定电流之和，约为76A,因此，选用QF5天水二一三DZX2-100两级低压断路器，其额定电流为100A。6.4 接触器的选择所用电源为三相交流电，因此，所选用接触器为交流接触器接触器的额定电压应等于负载的额定电压，额定工作电流近似等于控制功

18、率的2倍或者根据 计算。分别控制M1、M2 的接触器KM1、KM2、KM3、KM4的额定工作电压,额定工作电流为： 故，在此，接触器KM1、KM2、KM3、KM4选用接触器型号为CJX2-18，其额定电流为18A。控制变频器电源通断的接触器KM的额定工作电压、额定工作电流约为：故，在此KM选用型号为CJX2-18的接触器，其额定电流为18A.6.5 热继电器的选择热继电器用于对电机负载进行过载保护，热继电器的脱扣电流应约为负载额定电流的(11.1)倍。对M1、M2电机所带负载进行过载保护的热继电器的脱扣电流约为：I1=I2=12.6613.9A故，在此FR1、FR2选用型号为JR36-20的热

19、继电器，额定工作电流为20A。6.6 中间继电器的选择中间继电器KA选用型号为JZC4-22，其常开常闭触点均为2个，额定发热电流10A，AC220。6.7 压力传感器的选择 远程压力表除就地指示压力值外，还能连续输出与压力值成线性的0-10mA或4-20mA直流信号，可与DDZ-II或DDZ-III型变送单元组合仪表配合应用，组成显示、记录、调节、控制等自动化系统。 因此，此处选用YTT-150-Z型远程压力表，其供电电源为24VDC，由配电器供电，选择其输出直流信号为:4-20mA其端子接线图如图6-1所示： 图6-76.8 压力控制器（PID调节器）的选择（1）PID参数的整定 利用经验

20、整定法对PID的参数进行整定，液体压力调节，无时滞，因此，只需要PI调节，则微分参数TD=0。比例度为初整定为80%，周期初整定为5s。更精确地整定需要经过试验重复调试来确定。（2） PID调节器选择PID调节器选用型号为SWP-D805-070-23-HL自整定PID调节仪，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。可分别带有一路PID控制输出及一路变送输出， 手/自动无扰动切换，手动状态下可修改参数，具有多种调节输出方式（PWM输出、可控规触发输出、固态继电器输出及电压/电流输出）。6.9 数字频率计的选择采用数字频率计对变频器的输出频率进行显示，在此选用型号为HP53131A的数字频率

21、计。七、使用说明书 旋钮SA1是工作方式切换旋钮，而旋钮SA2是在自动状态下，工作泵选择旋钮。手动状态下，将SA1置于常开位置，变频恒压供水系统处于手动运行状态，合上压断路器QF、QF2、QF3、QF4，QF4，接入电源，按下启动按钮SB3(或者SB5)，电机M1(或者M2)启动，处于手动运行状态，电机M1（或者M2）手动运行指示灯HL3(或者HL5)亮，当按下停机按钮SB4（或者SB6）时，电机停机。当水池液位达到液位下限（或者电机过载），相应的运行M1（或者M2）电机便会自动停机，同时拉响报警器HA，点亮液位下限指示灯HL10（或者电机过载指示灯HL8（HL9）。 自动状态下，将SA1置于

22、常闭位置，变频恒压供水系统处于自动运行状态，将SA2置于常闭位置时，电机M1为工作泵，M2为备用泵，反之，M2为工作泵，M1为泵用泵。按下自动状态启动按钮SB1，电机M1（或者M2）以及变频器的接触器触KM1(或者KM3)、KM触点闭合，经延时30s,中间继电器看KA得电，其常开闭合，变频器FWD点闭合，电机M1(或者M2)得电，开始运行，同时相应运行指示灯HL2(或者HL4)亮。当电机M1(或者M2）过载时，同时中间继电器KA失电断开，变频器FWD点断开，备用泵M2(或者M1)自动投入，同时拉响报警器，点亮M1(或者M2)过载指示HL8（HL9），经延时30s，继电器KA得电接通变频器FWD

23、点闭合，备用泵开始接通运行。按下停机按钮SB2，电机与变频器均失电停机。当水池液位达到液位下限（或者变频器故障）电机以及变频器自动失电停机，同时拉响报警器，点亮液位下限指示灯HL10（或变频器故障指示HL7）。不论在自动还是手动运行状态下，遇到需要紧急停车时，只要按下紧急停车按钮，电机以及变频器都会失电停机，同时紧急停机指示灯HL0亮。八、总结 经过此次课设，了解变频调速系统的设计过程与步骤，加深了对变频调速系统中诸多的问题的理解，也提升了自己动手操作设计的能力，有理论知识的学习上升到了实践认知，这为以后的毕业设计以及为以后从事电气设计工作打下了一定的基础。课设的过程中认识到了自身很多的不足，

24、同时也学到了很多的知识。在此感谢老师对课设耐心的指导与解答！ 参考文献： 建筑电气控制技术 马小军 机械工业出版社 过程控制 金以慧 清华大学出版社 富士变频器使用手册 水暖空调电气控制技术 孙光伟 建工出版社 交流电机变频调速及其应用 张承慧 机械工业出版社 附录：附录一：原件明细表序号代号型号数量备注1KM、KM1、KM2、KM3、KM4CJX2-185额定电流18A2FR1、FR2JR36-202额定电流20A3QF、QF1、QF2、QF3GSM1-63L/34电流调整范围为663A4QF4DZX4-3/21额定电流3A5QF5DZX2-1001额定电流100A6M1、M2CK50/32

25、LB2功率为7.5KW7PLCOMRON CPM1A1I/O点数为408VVVFFRN7.5G11S-4JE1变频器9PIDSWP-D805-070-23-HL1PID调节器10YTT-150-Z1远程压力表，DC24V11KAJZC4-221AC220V，额定发热电流10A12HL1、HL2、HL3 、HL4、HL5、HL6AD16-16/g316开孔尺寸为22mm,绿色13HL0、HL7、HL8、HL9、HL10AD16-16/r315开孔尺寸为22mm,红色14HATL-90LF/BC/R31/S1开孔尺寸为90mm,警示灯，声光报警15SB1、SB3、SB5、NP2-BW33613 开孔尺寸