1、變頻器的恒壓供水控制系統設計Inverter constant pressure water supply control system design 院系：自動化專業：電氣班級：1011姓名：趙斌湖南化工職業技術學院2012年11月23日目 錄第一章 緒 論 1.1引言.1第二章 變頻調速恒壓供水系統的現狀和發展 .2 2.1變頻調速恒壓供水的目的和意義.2 2.2變頻調速及PLC在供水行業中的用.62.2.1變頻調速技術的特點及應用.6 2.2.2可編程序控制器的特點及應用.7第三章 變頻調速恒壓供水系統.9 3.1恒壓供水控制系統構成.9 3.2變頻恒壓控制理論模型.10第四章 變頻恒壓

2、供水系統計.114.1設計任務及要求.114.2系統主電路設計.12 4.3控制系統組成方框圖.124.4 PLC的PID程序 . .12第五章 器件的選型及介紹.15 5.1變頻器簡介.15 5.2變頻器選型.15 5.2.1變頻器的控制方式.15 5.2.2變頻器容量的選擇.16 5.2.3變頻器主電路外圍設備選擇.186.3 可編程控制器(PLC).20 6.3.1 PLC的定義及特點.20 6.3.2 PLC的工作原理.21 6.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇.21 第六章 變頻器參數的設置. .22第七章 結束語. .24參考文獻.25致謝. .26第一章 緒論1.1引言 自從通用

3、變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，使我國供水行業的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中得到了很大的發展。 對城鎮住宅電力驅動恒壓供水的原理及幾種實用化方案進行了深入的討論，以變頻器為主體的恒壓供水系統對供水水泵實現全方位的寶護。該系統不但能最大限度地節約水資源

4、，而且能夠節約電能，延長供水水泵的使用壽命，并在緊急情況下（消防，減災）能夠做到重點供水。最后，對幾種實用化供水方案進行了詳細的討論。第二章 變頻調速恒壓供水系統的現狀和發展2.1變頻調速恒壓供水的目的和意義 變頻恒壓供水系統已逐漸取代原有的水塔供水系統，廣泛應用于多層住宅小區生活消防供水系統。然而，由于新系統多會繼續使用原有系統的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統進行變頻改造的實踐中，往往會出現一些在理論上意想不到的問題。隨著電力技術的發展，變頻調速技術的日臻完善，以變頻調速為核心的智能供水控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起

5、動時對電網的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現節水、節電、節省人力，最終達到高效率的運行目的。1.變頻調速技術的特點及應用通常在同一路供水系統中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據壓力反饋信號，通過PID運算自動調整變頻器輸出頻率，改變電動機轉速，最終達到管網恒壓的目的，就一個閉環回路，較簡單，但成本高。前種方法成本

6、低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發展方向，比如NKL-A系列恒壓供水控制系統就可實現一變頻器控制任意數馬達的功能。2.可編程序控制器的應用目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。（1）開關量的邏輯控這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力

7、、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。（3）運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。3.過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業

8、控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。4.數據處理現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；

9、也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。5.通信及聯網PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。6.可編程變頻恒壓供水控制系統的設計(1) 變頻器的節能、調速原理變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量

10、控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。一般使用的風機、水泵類它們額定風量、水量都超過實際需要，又因工藝的需要，往往運行中要改變風量、水量，而目前多數采用檔板或閥門來調節的，雖然方法簡單，但實質是人為增加阻力的辦法。因此浪費大量電能，屬不經濟的調節方式。從流體力學原理可知，風機的風量、水泵的流量與電機轉速及電機功率的關系如下： 當風機轉速下降時，電動機的功率迅速降低，例風量下降到80，轉速亦下降到80時，則軸功率下降到額定的51，若風量下降到50，軸功率將下降到額定的13，其節電潛力

11、非常大，采用變頻器調速方式有很強的節電效果，其節電可達30-40效果十分明顯。(2) 變頻器控制方式的選擇低壓通用變頻輸出電壓為380650V，輸出功率為0.75400kW，工作頻率為0400Hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經歷了以下四代。7.U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，

12、且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。(1) 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。(2)矢量控制（

13、VC）方式矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的

14、意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。(3) 直接轉矩控制（DTC）方式1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋

15、轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。(4) 矩陣式交交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交交變頻應運而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的

16、。矩陣式交交變頻具有快速的轉矩響應（2ms），很高的速度精度（2，無PG反饋），高轉矩精度（3）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150200轉矩。因此，我們選用最后一種控制方式，矩陣式交-交控制方式。近年來我國中小城市發展迅速,集中用水量急劇增加。據統計,從1990年到1998年,我國人均日生活用水量（包括城市公共設施等非生產用水）有175.7升增加到241.1升,增長了37.2%,與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時供水量普遍不足,造成城市公用管網水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水壓力的要求變化較大,僅僅靠供水廠

17、值班人員依據經驗進行人工手動調節很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時供水壓力不足,用水低峰期時供水壓力過高,不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。 供水廠希望通過對原有系統的技術改造,提高生產過程的自動化水平。并在此基礎之上配備相應的系統管理軟件,改變傳統的落后管理方式,使管理工作規范化,提高水廠的業務管理水平。由于水廠原有的供水控制系統是一個完全依靠值班人員手動控制的系統,所以對該系統技術改造的要求是在原有系統的基礎進行,設計一套取水和供水的自動控制系統,克服由于采用單純手動控制系統進行控制帶來的控制不方便、控制系統對供水管網中壓力和水位變化反應遲鈍的

18、問題,降低能源消耗和資源浪費,提高設備的可維護性和運行的可靠性,以達到降低自來水的生產成本和提高生產管理水平的目的。 在相當比較大規模的工業生產供水系統,變頻調速恒壓供水有它自身的特點：1.供水量在短時間內（一天時間內）變化大,這種變化在幾個小時內甚至是幾倍或上十倍。2.對供水壓力的要求比較嚴格,供水的壓力隨供水的流量的變化而變化,甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。3.一般情況下,供水系統的水流量受到水消耗量的控制,而水流量又是通過供水水泵的輸出來提供的。 從上即可結論：以變頻器為主體構成的恒壓供水系統不僅能夠最大程度滿足需要,也提高整個系統的效率,延長系統壽命、節約能源、而且能夠構成復雜

19、的功能強大的供水系統。2.2變頻調速及PLC在供水行業中的應用1.2.1變頻調速技術的特點及應用作為高性能的調速傳動,直流發電機電動機調速控制方法長期以來一直應用廣泛。但是直流電動機由于換向器和電刷維護保養很麻煩,價格也相當昂貴。使異步電機實現性能好的調速一直是人們的理想。異步電機的調速方法很多,例如變極調速、有極調速、定子調壓調速、串級調速、變頻調速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應用。 70年代以后,由于微電子技術、電力電子技術和微處理機技術的發展,促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調速的許多缺點,而且調速性能可以和直流電動機的調速性能相媲美。三相異步電動機具有

20、維修方便、價格便宜、功率和轉速適應面寬等優點,其變頻調速技術在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優勢。到80年代末,交流電機的變頻調速技術迅速發展成為一項成熟的技術,它將供給交流電機的工頻交流電源經過二極管整流變成直流,再由IGBT或GTR模塊等器件逆變成頻率可調的交流電源,以此電源拖動電機在變速狀態下運行,并自動適應變負荷的條件。它改變了傳統工業中電機啟動后只能以額定功率、定轉速的單一運行方式,從而達到節能目的?，F代變頻調速技術應用于電力水泵供水系統中,較為傳統的運行方式是可節電4060,節水1530。 由于變頻調速具有調速的機械特性好,效率高,調速范圍寬,精度高,調整特性曲線平滑,可以

21、實現連續的、平穩的調速,體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時,可以獲得其它調速方式無法比擬的節能效果。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器,變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類,目前國內大都使用交直交變頻器。 自從通用變頻器問世以來,變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點,使我國供水行業的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速,依據用水量的變化自動調節系統的運行參數,在用水量的變化自動調節系統的運行參

22、數,在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求,是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中得到了很大的發展。隨著電力電子技術的飛速發展,變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能,對合理設計變頻調速恒壓供水設備,降低成本,保證產品質量等方面有著非常重要的意義。新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比,不論是設備的投資,運行的經濟性,還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢,而且具有顯著的節能效果。恒壓供水調速系統的這些優越性,引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視,并不斷投入開發、生產這一高新技術產品。目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機

23、控制,多品種系列化的方向發展。追求高度智能化,系列標準化是未來供水設備適應城鎮建設成片開發、智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。 在短短的幾年內,變頻調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程,早期的單泵調速恒壓系統逐漸被多泵調速系統所代替。雖然單泵調速系統設計簡易可靠,但由于單泵電機深度調速造成水泵、電機運行效率低,而多泵調速系統投資更為節省,運行效率高,被實際證明是最優的系統設計,很快發展成為主導產品。1.2.2可編程序控制器的特點及應用早期的可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC),主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著計算機技術、

24、通信技術和自動控制技術的迅速發展,可編程序控制器將傳統的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體,具有可靠性高、功能強、應用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優點,以及良好的工業環境工作性能和自動控制目標實現性能,在工業生產中得到了廣泛的應用。1969年,美國數字設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規模集成電路組成,主要功能是執行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70年代初期,體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增強。在硬件方面,除了保持其原有的開關模塊以外,還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊和各種特殊功

25、能模塊。在軟件方面,PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言,除了保持原有的邏輯運算等功能以外,還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入80年代中、后期,由于超大規模集成電路技術的迅速發展,微處理器的市場價格大幅度下跌,使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且,為了進一步提高PLC的處理速度,各制造廠商還研制開發了專用邏輯處理芯片,大大提高了PLC軟、硬件功能。在發達工業國家,PLC已經廣泛的應用在所有的工業部門。據“美國市場信息”的世界PLC以及軟件市場報告稱,1995年全球PLC及其軟件的市場經濟規模約50億美元。隨著電子技術和計算機技術的發展,PLC的功能得到

26、大大的增強,具有以下特點：(1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環掃描工作方式。(2)具有豐富的I/O接口模塊。PLC針對不同的工業現場信號,有相應的I/O模塊與工業現場的器件或設備直接連接。另外為了提高操作性能,它還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業局部網絡,它還有多種通訊聯網的接口模塊。(3)采用模塊化結構。為了適應各種工業控制需要,除了單元式的小型PLC以外,絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件,包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計,由機架及電纜將各模塊連接起來,系統的規模和功能可根據用戶的需要自行組合。(4)編程簡單易學

27、。PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式,對使用者來說,不需要具備計算機的專門知識,因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。(5)安裝簡單,維修方便。PLC不需要專門的機房,可以在各種工業環境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置,便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構,因此一旦某模塊發生故障,用戶可以通過更換模塊的方法,使系統迅速恢復運行。由于PLC強大功能和優點,使得PLC在我國的水工業自動化中得到廣泛的應用。PLC在水工業自動化中的應用主要有水廠監控系統、自動控制系統、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調速、SCADA系統和供水管網信息管理系統等。其主要功能是

28、進行工藝參數的采集、生產過程控制、信息處理、設備運行狀態監測以監測第三章 變頻調速恒壓供水系統3.1恒壓供水控制系統構成變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵連成一體，通過變頻器調節異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此，供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。變頻器水泵用戶管網壓力壓力變送器給定值+- 圖2.1恒壓供水系統方框圖水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入變頻器內部的PID模塊，與用戶設定的壓力值進行比較，并通過

29、變頻器內置PID運算將結果轉換為頻率調節信號，以調整水泵電機的電源頻率，從而實現控制水泵轉速。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試更為簡單、方便。西門子系列PLC編程采用STEP7軟件，它是西門子PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的相互轉換。系統程序包括主程序和起動子程序，主程序包括參與調節程序和電機切換程序；電機切換程序又包括加電機程序和減電機程序。起動子程序實際上是清零子

30、程序。在主程序中，設置兩個變頻器頻率上下限到達濾波時間繼電器，用于穩定系統。3.2變頻恒壓控制理論模型 變頻恒壓控制系統以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上 從圖2-2中可以看出，在系統運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統將得到正的壓力差，這個差值經過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的

31、輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調節的結果是實際供水壓力和設定壓力相等。 圖2.2變頻恒壓控制原理圖第四章 變頻恒壓供水系統設計4.1設計任務及要求本系統是以一個供水系統作為被控對象，PLC與變頻器協調控制電機的轉速與啟動和停止?？刂埔螅海?）工藝參數: 水泵流量：295 m3/h 水泵出口壓力： 0.08Mpa （2）水泵參數：型號

32、：125H-13額定流量：793 m3/h揚程：32.3 m功率：80.3 KW額定轉速：1450 r/min配用電機功率：100KW（3）電動機參數：型號：JD-L-39-4 功率：100KW 額定頻率：50Hz 額定電壓：380VAC； 額定轉速：1470 r/min 額定電流：188.2 A（4）水泵電機的起動/停止、正轉、調速控制。（5）變頻器采用遠方控制方式。（6）變頻器的頻率由420mA電流信號控制。（7）變頻器的運行狀態指示（如運行、停止、過流、低壓等）。（8）變頻器的報警處理。4.2系統主電路設計圖3.1 系統主電路圖主電路。如圖所示，接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端，

33、KM2用于將變頻器的輸出端接至電動機，KM3用于將工頻電源直接接至電動機，熱繼電器KR用于工頻運行時的過載保護4.3控制系統組成方框圖恒壓供水系統的基本構成是：變頻器+水泵+水管網壓力檢測部件+PID調節器(目前大多數變頻器已將PID調節器集成到其內部)，如圖3.2所示：該圖為簡單的單泵控制系統。該系統的電氣接線圖如圖3.3所示。圖3.2 恒壓供水系統示意圖4.4 PLC的PID程序 第五章 器件的選型及介紹5.1 變頻器簡介1、變頻器的基本結構變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成

34、。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。 2、變頻器的分類 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器

35、等。 5.2 變頻器選型5.2.1 變頻器的控制方式控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產的共約5O多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。下表中參數供選用時參考。表4.1控制方式的比較控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉矩控制反饋裝置不帶PG帶PG或PID調節器不要不帶PG帶PG或編碼器速比I150%200%靜態速度精度/%（0.20.3）（0.20.3）0.20.20.020.2適用場合一般風機、泵類等較高精度調速，控制一般工業上的調速或控制所有調速或

36、控制伺服拖動、高精傳動、轉矩控制負荷起動、起重負載轉矩控制系統，恒轉矩波動大負載故選擇U/f=C控制5.2.2 變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關系到變頻調速系統的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充。1、從電流的角度：大多數變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或本公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變

37、頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 2、從效率的角度：系統效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統效率才較高。從效率角度出發，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。（2）

38、在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。（3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果。3、從計算功率的角度：對于連續運轉的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：(1)滿足負載輸出：PcnPm (3.1)(2)滿足電動機容量：Pcn3KUeIe co

39、s 10-3(3.2)(3)滿足電動機電流：IcnKIe(3.3)式中Pcn為變頻器容量（單位kW），PM-負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），為電動機效率（通常約為085），cos為電動機功率因數（通常約為075），k是電流波形補償系數（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常K約為10511）。將本系統參數帶入求得所取變頻器容量最低為88KW故取100KW，額定電流139.26A，故取150A。 根據計算所得的所需參數可以選取西門子MicroMaster430（風機水泵專業）變頻

40、器，具體的可以選擇MM430-110K型號的變頻器，他配接電機的容量是110kw，額定電流為205A滿足使用需求，可以選擇。5.2.3 變頻器主電路外圍設備選擇1、斷路器當變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當變頻器輸入側發生短路等故障時，進行保護。選擇原則(1)變頻器在剛接電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流的（2-3）倍；(2)變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流；(3)變頻器允許的過載能力為150%，1min。為了避免誤動作，斷路器的額定電流應選： (3.4)其中為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇210A根據上述

41、數據可以選擇斷路器DW15400斷路器額定電壓為380V，額定電流為300滿足要求可以選擇。2、接觸器(1)主要作用：可通過按鈕開關方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發生故障時，可自動切斷電源。(2)選擇原則：由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流，應該大于126.6A,可以選擇主觸點額定電流為130A的接觸器。根據上述數據施奈德的LC1D150，滿足參數要求，可以選擇3、主電路的線徑(1)電源和變頻器之間的導線一般說來，和同容量普通電動機的電線選擇方法相同。考慮到其輸入側的功率因數往往較低，應本著宜大不宜小的原則來決定線徑。(2)變頻器和電機之間的導線

42、因為頻率下降時，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降在輸出電壓中的比例將上升，而電動機得到電壓的比例則下降。這有可能導致電動機帶不動負載并發熱。所以，在決定變頻器和電動機之間導線的線徑時，最關鍵的因素便是線路電壓降的影響。一般要求： (3.5)的計算公式是： (3.6)式中：額定相電壓，V ； 電動機額定電流，A ； 單位長度（每米）導線的電阻，m/m ； 導線的長度，m 。由上兩式可直接求出的取值范圍。根據Ro值確定導線面積。由公式（3.5）得：11.4）V由公式（3.6）得：0.69 m/m 1.04 m/m 根據表3.1判斷所需的導線截面積，為了滿足控制系統的要求，應該選擇截面積

43、為16的導線。表4.2 常用電動機引出線的單位長度電阻值。標稱截面/mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0/(m/m)17.811.96.924.402.921.731.100.690.494、制動電阻準確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書上給了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規格。但按說明書上選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應注意根據生產機械的具體情況進行調整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏

44、大。為了減小能量的消耗，應根據制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動電阻。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機械那樣，需要釋放位能的場合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電阻。5.3 可編程控制器(PLC)4.3.1 PLC的定義及特點 在PLC的發展過程中，美國電氣制造商協會（NEMA）經過4年的調查，于1980年把這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），英文縮寫為PC，并作如下定義：“可編程序控制器是一種數字式

45、電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現邏輯運算、順序控制、計數、計時和算術運算功能，用來對各種機械或生產過程進行控制。PLC的特點如下：1、高可靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。(2)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數一般為1020ms.(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優良的開關電源。(5)對采用的器件進行嚴格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統或有三CPU構成表決系統

46、,使可靠性更進一步提高。2、豐富的I/O接口模塊 PLC針對不同的工業現場信號，如： 交流或直流； 開關量或模擬量； 電壓或電流； 脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業現場的器件或設備，如： 按鈕 行程開關 接近開關 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊，等等。3、采用模塊化結構 為了適應各種工業控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規模和

47、功能可根據用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學 PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行。5.3.2 PLC的工作原理PLC采用循環掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令

48、開始執行程序，直到遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環。PLC的掃描過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當PLC處于停狀態時，只進行內部處理和通信操作服務等內容。在PLC處于運行狀態時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執行、程序輸出，一直循環掃描工作。5.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇 水泵M1、M2、M3可變頻運行，也可工頻運行，需要6個輸出點，根據系統設計要求需要五個輸入點，則選擇西門子的S7-200系列PLC。 壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應原理實現壓力測量的力-電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發生變化，信號調理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術指標的要求。傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560，輸出電壓為05V，作為本系統的反饋信號供給PLC。第六章 變頻器參數的設置（1）設定