變頻器在供水系統(tǒng)中的應用

1、交流調速課程設計題 目：交流調速系統(tǒng)在供水系統(tǒng)上的應用設計 指導教師： 班 級： 機檢 姓 名： 摘 要本論文根據加壓泵站供水要求，在原來自耦降壓啟動控制的基礎上，改造設計了一套基于PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器等構成。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方式。采用變頻器實現對三相水泵電機的軟啟動和變頻調速，運行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。壓力傳感器檢測當前水壓信號，送入PLC與設定值比較后進行PID運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電機的轉速來改變供水量，最終保持管網壓力穩(wěn)定在設定值附近。該系統(tǒng)還保留原來的控

2、制系統(tǒng)備用。當自動控制系統(tǒng)不能運行時，起動原來的控制系統(tǒng)。以保證能不間斷的提供正常的供水。關鍵詞：變頻器；可編程控制器；恒壓供水 目錄一 緒論- 1 -二 總體方案- 1 -2.1設計要求- 1 -2.2 電機運行要求- 2 -2.3 總體流程圖- 3 -三 主電路的設計- 3 -3.1變頻器的選擇- 3 -3.2 熔斷器的選擇- 4 -3.3自動控制開關的選擇- 4 -3.4主電路的線徑- 4 -3.5 主電路圖- 5 -四 控制電路的設計- 6 -4.1控制系統(tǒng)框圖- 6 -4.2 PLC的選型- 8 -4.3 PLC的接線- 8 -4.4 變頻器的接線- 9 -4.5變頻器的基本參數的設

3、定- 11 -4.6 PID調節(jié)器- 12 -4.7壓力傳感器的接線圖- 13 -五 經濟性分析- 14 -5.1變頻器恒壓供水節(jié)能原理- 14 -5.2 調速節(jié)能- 14 -5.3 變頻啟動節(jié)能- 15 -5.4 變頻調速恒壓供水的節(jié)電規(guī)律- 15 -5.5元器件的價格表- 15 -小結- 16 -參考文獻- 16 -交流調速系統(tǒng)在供水系統(tǒng)中的設計一 緒論泵站擔負著工農業(yè)和生活用水的重要任務，運行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對提高經濟效益有重大意義。目前，有一20年前的加壓泵站已不能適應當前的應用環(huán)境，需要改造。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的、有效地控制策略方法

4、是目前較為重要的一件事。隨著變頻技術的發(fā)展，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于供水系統(tǒng)中。變頻恒壓供水的調速系統(tǒng)可以實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數，在用水量發(fā)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(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產品質量等有著重要意義。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應企業(yè)正常供水、網絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。以變頻器為核心結

5、合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現代控制、遠程監(jiān)控技術與一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便的實現供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，同時系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。二 總體方案2.1設計要求本系統(tǒng)是以PLC與變頻器協(xié)調控制電機的啟動、運行時的轉速和停止，來達到供水系統(tǒng)的恒壓供水的目的。系統(tǒng)供水要求： 根據加壓泵站的3臺水泵的實際設備配置情況，增設變頻器裝置及循環(huán)

6、控制裝置一套，使每一臺的電機能單獨進入自動恒壓供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。保留原來的降壓啟動電器柜備用。在自動故障時，可以手動控制，使電器柜運行，確保正常供水。圖2-1 恒壓供水系統(tǒng)框圖2.2 電機運行要求 運行由變頻柜與循環(huán)轉換柜、水泵、水流、壓力傳感裝置構成的閉環(huán)自控系統(tǒng)，首先由變頻柜軟啟動1#水泵，變頻器頻率從零升至50Hz，水泵達到額定轉速。此時供水壓力若達不到設定的壓力，系統(tǒng)自動將1#水泵切換到工頻恒速運行，變頻器再軟啟動2#水泵，進行調速供水，如還達不到設定壓力，系統(tǒng)又自動將2#水泵切換到工頻恒速運行，變頻器又再軟啟動3#水泵，直到達到設定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調速運行。如運行中變

7、頻泵頻率降至設定的最低頻率，供水水壓大于設定壓力，系統(tǒng)將自動停止最先啟動的水泵，如仍大，再停第二次啟動的水泵。在夜間運行時，當最后一臺變頻泵頻率降到設定的最低頻率，此時供水壓力還大于設定的壓力時，變頻裝置將進入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)自動停止水泵工作。此時由壓力傳感裝置監(jiān)視管網壓力，若低于設定壓力的0.05MPa，變頻裝置自動喚醒，啟動水泵補水。該系統(tǒng)就如此循環(huán)啟動、調速運行、停止，不斷進行調整，達到恒壓供水的目的。2.3 總體流程圖圖2-2 流程圖 三 主電路的設計3.1變頻器的選擇對于連續(xù)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/(2)滿足電動機容量：1.5PcnKU

8、eIe cos/1000(3)滿足電動機電流：IcnKIe式中Pcn為變頻器容量（單位kW），Pm為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080），K是電流波形補償系數（通常K約為10511）. 本系統(tǒng)參數:電機容量75KW,供電電源400V。帶入求得所取變頻器容量最低為88KW故取100KW，電流135.32A，故取150A。 根據計算所得的所需參數可以選取三菱變頻器，具體的可以選擇FR-F740-S110K-CH型號的變頻器，他配接電機的容量是110kw，額定電

9、流為180A滿足使用需求，可以選擇。3.2 熔斷器的選擇熔斷器的作用：當變頻器輸入側發(fā)生短路等故障時，進行保護。主熔斷器的額定電流為三臺電動機的額定電流和。熔斷器電流大于總電流和。故選擇熔斷器的額定電流為450A。根據以上數據選則茗熔RS97M(450A)熔斷器。額定電壓400V。額定電流450A.3.3自動控制開關的選擇接觸器的選擇(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(fā)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135.32A,可以選擇主觸點額定電流為170A的接觸器。根據上述數

10、據施奈德的LC1D170，滿足參數要求，可以選擇。3.4主電路的線徑(1)電源和變頻器之間的導線的選擇一般說來，和同容量普通電動機的電線選擇方法相同?？紤]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。根據主線路的電流選擇電纜的線徑.查表1可知選擇直徑為19.55mm的電纜。(2)變頻器和電機之間的導線根據電機額定電流選則電纜線的線徑查表1可知選線徑為直徑為6.68mm的電纜線。表 3-13.5 主電路圖圖3-1 主電路電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。KM1、 KM3、 KM5 分別為電動機M1 、M2 、M3 工頻運行時接通電源的控制接觸器，KM0、 K

11、M2 、KM4 分別為電動機M1、M2、 M3 變頻運行時接通電源的控制接觸器。熱繼電器(FR)是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護。熔斷器（FU）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設備短路和嚴重過載。四 控制電路的設計4.1控制系統(tǒng)框圖圖 4-1控制系統(tǒng)框如圖4-1所示，整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感

12、器，一般采用電阻式傳感器(反饋05V電壓信號)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現電機的無級調速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面等部分組成。(1)執(zhí)行機構執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網。(2)信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號自來水出水水壓信號。水壓信號:它反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 (3)控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制

13、器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵)進行控制。變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。電控設備:它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等。(4)人機界面人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況

14、及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示。(5)通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數據交換，同時通過通訊接口，還可以將現代先進的網絡技術應用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等。4.2 PLC的選型水泵M1、M2，M3可變頻運行，也可工頻運行，需PLC的6個輸出點，變頻器的運行與關斷由PLC的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉需1個輸出信號控制，報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數量一共9個。控制起動和停止需要2個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的2個輸入點，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點，手動控制電機的

15、工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統(tǒng)啟動運行需1個輸入點，檢測電機是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入/輸出點數量共為24個點。本系統(tǒng)選用FXos-30MR-D型PLC。4.3 PLC的接線圖4-2 PLC的接線圖Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控制M2的變頻運行，Y3接KM3控制M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行。Y6控制變頻器的工作與停止。X0接起動按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接M1的熱繼電器，X5接M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。為

16、了防止出現某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制M1電動機的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過FU和OL輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。手動運行當按下SB7按鈕，用手動方式。按下SB10手動啟動變頻器。當系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時切斷電機變頻，同時啟動電機工頻運行,再起動下一臺電機。為了變頻向工頻切換時保護變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時，用時間繼電器作了時間延遲，當壓力過大時，可以手動按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運行的電機，

17、同時啟動電機變頻運行?？筛鶕枰?，停按不同電機對應的啟停按鈕，可以依次實現手動啟動和手動停止三臺水泵。該方式僅供自動故障時使用。自動運行由PLC分別控制某臺電機工頻和變頻繼電器，在條件成立時，進行增泵升壓和減泵降壓控制。升壓控制：系統(tǒng)工作時，每臺水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網拖動狀態(tài)、變頻器拖動調速狀態(tài)和停止狀態(tài).系統(tǒng)開始工作時，供水管道內水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運行，第一臺水泵M1，啟動且轉速逐漸升高，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1處在調速運行狀態(tài)。當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)調節(jié)水泵按設定速率加速到另一個穩(wěn)定轉速；

18、反之用水量減少水壓增加時，水泵按設定的速率減速到新的穩(wěn)定轉速。當用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時，水壓仍低于設定值，由PLC控制切換至工頻電網后恒速運行；同時，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當加速運行的變頻器輸出頻率達到工頻時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，并有新的水泵投人并聯(lián)運行。當最后一臺水泵M3投人運行，變頻器輸出頻率達到工頻，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出故障報警。降壓控制：當用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時，水壓仍高于設定值，系統(tǒng)將工頻運行時間最長的一臺水泵關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調

19、節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，每當減速運行的變頻器輸出頻率降至起動頻率時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，直到剩下最后一臺變頻泵運行為止。4.4 變頻器的接線根據設計的要求，本系統(tǒng)使用FR-F740系列變頻器，如下圖所示：圖4-3 FR-F740的管腳說明管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機的正轉。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。圖4-4 變頻器接線圖4.5變頻器的基本參數的設定變頻器的功能很多，一般都有數十甚至上百個參數供用戶選擇。實際應用中，沒必要對每一參數進行設置和調試，

20、多數只要采用出廠設定值即可，但有一些參數由于和實際使用情況有很大的關系，且有的還互相關聯(lián)，因此要根據實際進行設定和調試。表4-1參數號名稱代碼設定值備注1上限頻率Pr.150HZ2下限頻率Pr.20HZ7加速時間Pr.715s8減速時間Pr.830s9電子過電流Pr.9180A電機的過熱保護10直流制動動作頻率Pr.105HZ到設定頻率是直流制動11直流制動時間Pr.111s72PWM頻率選擇Pr.722580電機容量Pr.809999135工頻切換順序輸出端子選擇Pr.1351138異常時工頻切換選擇Pr.1381178STF端子功能選擇Pr.17860正轉179STR端子功能選擇Pr.17

21、961反轉4.6 PID調節(jié)器僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的PI控制。用PI控制時，能消除由改變目標值和經常的外來擾動等引起的偏差。但是， I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用P動作控制。對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產生比單獨D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小。控制對象含有積分元件的負載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。利用I動作消除偏差作用和用

22、D動作抑制振蕩作用，在結合P動作就構成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產生偏差到出現響應需要一定時間的負載系統(tǒng)(即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調節(jié))效果比較好。圖4-5 PID控制框圖通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。 通用PID控制器，在使用時只需要進行

23、線路的連接和P、I、D參數及目標值的設定。根據設計的要求，本系統(tǒng)的PID調節(jié)器內置于變頻器中。圖4-6 PID控制接線圖4.7壓力傳感器的接線圖壓力傳感器使用KE-260型絕對壓力傳感器。改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電橋的輸出電壓發(fā)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。該傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560 ，供電電源為28±3V（DC）。圖4-7 壓力傳感器的接線圖五 經濟性分析5.1變頻器恒壓供水節(jié)

24、能原理任何利用交流感應電動機作為電力傳動方式的生產機械，電動機的功率是按最大負荷期額定負荷選擇的。而工作時絕大部分不能滿載運行，電動機工作于滿電壓、滿速度而負載很小，也會有很多時間空載運行，由電機設計和運行特性可以知道，電動機只有運行在滿載時才是效率最高、功率因子最佳狀況，輕載時降低，空載時甚至降到0.3N以下，造成許多不必要的電能損耗?，F在采用檢測負載大小的方法，根據負載的減少，適當降低定子電壓可以提高效率，這是因為當輕載、空載時定子電流有功分量很小，而主要是勵磁的無功電流，因此功率因子很低，而空載損耗中占主要成份的是定子滿電壓的鐵損耗，一點沒有減少，所以效率很低。如果適當降低定子電壓，見電

25、機定子感應電勢公式:其中:N1一定子每相繞組串聯(lián)匝數；KN1由于輕載、空載時定子電流很小，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，所以U1約等于E1,當其它條件不變時，降低定子電壓U1，則功率因子比例下降，也即勵磁無功電流也成比例下降，這樣定子電流中的無功分量減少了，功率就提高了，適當控制可以接近最佳值。隨著U1下降，定子鐵損以平方比例迅速下降，這樣輕載、空載時占主要損耗的鐵耗大量減少，使電機的運行效率大大提高，這就是輕載降壓節(jié)電的道理。5.2 調速節(jié)能根據風機及泵類機械的定理： 其中：Q流體的流量；n風機的轉速；M軸轉矩；P軸功率；由上公式可見，只要改變n，則流量Q成比例變化，達到調節(jié)Q的目的。而軸功

26、率可大大的減少。5.3 變頻啟動節(jié)能通常感應電機采用直接接入電網啟動方法，電機的啟動電流為額定電流的35倍，這不僅損耗大，對電網的沖擊也大，如用變頻啟動，可以將電流限制到很小，如滿載啟動，也只要比額定電流稍大就行。這樣啟動損耗大大降低了。既不沖擊電網，也不沖擊機械。5.4 變頻調速恒壓供水的節(jié)電規(guī)律對于水泵設備，流量Q與轉速n成正比，溫差與轉速成反比，軸功率與轉速成三次方正比，如下表轉速與節(jié)能率的變化關系：轉速n%流量Q%溫差%軸功率P%節(jié)電率%100100100100100909011172.927.1808012551.248.8707014334.365.7606016721.678.4505020012.587.5從上表可以看出變流量控制系統(tǒng)的節(jié)能效果是十分明顯的。5.5元器件的價格表表5-1名稱型號廠商價格（元）備注變頻器FR-F740-S110K-CH三菱24280接觸器LC1D170施耐德28