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文檔簡介

1、*學院畢業(yè)設計(論文)題 目 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設計 姓 名 學 號 院(系) 專 業(yè) 指導教師 職 稱 評閱教師 職 稱 年 月 日 學生畢業(yè)設計(論文)原創(chuàng)性聲明本人以信譽聲明:所呈交的畢業(yè)設計(論文)是在導師的指導下進行的設計(研究)工作及取得的成果,論文(設計)中引用他(她)人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出,論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成,不包含他人成果及為獲得重慶科技學院或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用其材料。與我一同工作的同志對本設計(研究)所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。畢業(yè)設計(論文)作者(簽字): 簽字日期 年 月 日 貼?;仗?*學院本科生

2、畢業(yè)設計(論文)變頻恒壓供水系統(tǒng)設計 學生姓名: 指導老師 專 業(yè): 院 (系): 年 月 日摘 要本論文結(jié)合我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀,設計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、傳感器、以及控制柜等構(gòu)成。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中,單臺水泵的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n,從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。分析水泵的能耗比較圖,可以看出利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水,當轉(zhuǎn)速降低時,流量與轉(zhuǎn)速成正比,功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降,與傳統(tǒng)供水方式中用閥門節(jié)流方式相比,在一定程度上可以減少能量損耗,能夠明顯節(jié)能。通過編程

3、軟件設計了一個用于供水系統(tǒng)壓力控制的PID控制器,PID控制器內(nèi)置在PLC中,該控制器對于壓力給定值與測量值的偏差進行處理,實時控制變頻器的輸出電壓和頻率,進而改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量,實現(xiàn)整個供水的壓力的自動調(diào)節(jié),使壓力穩(wěn)定在設定值附近。關鍵詞: PLC控制 變頻調(diào)速 恒壓供水 水泵 節(jié)能AbstractThe present paper unifies in our country the small city for the water works present situation, has designed a set based on the PLC frequen

4、cy conversion velocity modulation constant pressure water supply automatic control system.In order to pledge water supply, the unit is in the super pressure state usually moving, not only the efficiency is low and power consumption is big, but also Guan Wang in city over a long period of time is in

5、the super pressure running state, and it is also very serious to wear and tear. This thesis combines the middle and small city water supply present situation of factory of our country, and has designed basseting on the fast constant voltage water supply automatic control system of frequency conversi

6、on accent of PLC.The fast constant voltage water supply automatic control system of frequency conversion accent forms by programmable controller and frequency converter and water pump electrical machinery group, sensor as well as control cupboard etc. This system uses frequency converter to pull to

7、move many electromotor to start, moves and accent speed, uses respectively to circulate the method operating of use, by way of super ordinate machine.Key word: PLC control, frequency conversion velocity modulation, constant pressure water supply, water pump, energy conservation目 錄摘 要IABSTRACTII前 言11

8、緒論21.1項目的意義及應用背景21.2課題的方案設計31.3本文研究的內(nèi)容42恒壓供水原理及工藝52.1系統(tǒng)的組成和基本工作原理52.2系統(tǒng)框圖及工作模式62.3主要元器件選型72.4該系統(tǒng)的特點83控制系統(tǒng)分析與設計103.1低壓電器設備部分103.2控制柜面板設計123.3 PLC控制部分134軟硬件的基本原理介紹144.1 PLC可編程控制器(三菱 FX2N-32MR)14可編程控制器的特點14可編程控制器的工作原理154.2變頻器的原理與特性(ATV38)20變頻器簡介20變頻與變壓(VVVF)原理20變頻調(diào)速的基本原理21變頻調(diào)速的升速和啟動21變頻調(diào)速的降速和制動22變頻后的電動

9、機的機械特性22水泵類平方律負載的機械特性234.2.8 V/F控制的概念23矢量控制的概述244.2.10 ATV38的特性254.3壓力傳感器簡介275系統(tǒng)開發(fā)295.1 PLC應用的開發(fā)步驟295.2 PID調(diào)節(jié)305.2.1 PID調(diào)節(jié)原理305.2.2 PID參數(shù)設置315.2.3 PID設定值的調(diào)整及控制算法315.3 PLC程序33基本步驟33程序中使用的繼電器345.3.3 PLC I/O表37程序流程375.3.5 PLC程序的運行和模擬調(diào)試436調(diào)試446.1硬件功能調(diào)試446.2系統(tǒng)總體調(diào)試44結(jié) 論45致 謝46參考文獻47附錄 PLC 梯形圖48前 言據(jù)報道,目前國內(nèi)

10、在用的水泵和風機約5000萬臺,年消耗的電量可達約1000億度。據(jù)有關國際組織發(fā)表的資料顯示:中國的單位國民經(jīng)濟總產(chǎn)值所消耗的電是美國、德國等的4倍左右,消耗的水是他們的2倍左右。我國的大量用電設備中,風機和水泵類電機的耗電量占全國發(fā)電量50%左右,若推廣新型電機調(diào)速技術,可節(jié)電40%左右,即可以節(jié)約全國發(fā)電量的1/5。由于我國人均占有水、電資源相對于別國又少很多,因此,在我國一方面水電供應緊張,而另一方面,水電的浪費又十分驚人。節(jié)電節(jié)水,不僅潛力巨大,而且意義深遠。恒壓供水是指供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時,其出口壓力保持不變的供水方式。供水系統(tǒng)的主要參數(shù)有:流量、揚程、管阻和壓力。采用變頻器后

11、可以節(jié)能有三個方面:管阻特性曲線保持不變(閥門全開),揚程特性曲線下降(轉(zhuǎn)速下降),使流量下降與用戶需求量下降平衡,以保持水壓大致恒定;轉(zhuǎn)速控制方式使水泵的工作效率一直處于最佳狀態(tài);不處于滿載狀態(tài)的電動機因為輸入電壓的降低,它的效率也將相對于不采用變頻降壓有所提高。在本次設計中,主要設計基于PLC生活給水控制系統(tǒng)設計的實現(xiàn),通過三菱FX2N-32MR PLC 和ATV38(施耐德) 變頻器進行對生活給水控制系統(tǒng)的手動、自動控制,達到變頻恒壓的理想狀態(tài)。通過在三菱的PLC GX Developer7上進行編程,通過學校實驗室提供的設備上進行一定的檢查和調(diào)試。由于本人設計水平有限,所以設計中多少有

12、些錯誤,請予批評指正。謝謝!1緒論1.1項目的意義及應用背景變頻控制技術的進步不僅僅是異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、易于維護等優(yōu)點,更主要的是采用變頻調(diào)速技術的異步電動機的機械特性達到了直流電動機調(diào)壓調(diào)速的特性。由于計算機技術的介入,使得變頻器具有豐富的功能和方便好用的特點,因此人們才有可能按照實際要求,自行構(gòu)成一個適用和可靠的調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點,使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速,依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù),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

13、節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展,變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能,對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備,降低成本,保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義1。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要有2:帶PID回路調(diào)節(jié)器和/或可編程序控制器(PLC)的控制系統(tǒng)在該系統(tǒng)中,變頻器的作用是為電動機提供可變頻率的電源,實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速,從而使管網(wǎng)水壓可控。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓;壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值;壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后,經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計算,輸給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將

14、壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調(diào)節(jié)器,由后者進行運算后,輸給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的,所以對可編程控制器來講,既要有模擬量輸入接口,又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高,這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器,則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊PWM調(diào)制板,將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣,可編程控制器的成本沒有降低,還增加了連線和附加設備,降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID回路調(diào)

15、節(jié)器,其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以,在變頻調(diào)速恒壓給水控制設備中,PID控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環(huán)節(jié)。新型變頻調(diào)速供水設備針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)供水設備的不足之處,國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新產(chǎn)品,如華為的TD2100,施耐德公司的Altivar58泵切換卡,SANKEN的SAMCO-I系列,ABB公司的ACS600、ACS400系列,富士公司的G11S/P11S系列等。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi),形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內(nèi)部,這就省去了對可編程控制器存儲容量的要

16、求和對PID算法的編程,而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易,這不僅降低了生產(chǎn)成本,而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法,所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)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(shù),同時還可對反饋信號進行換算,使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略高一點,但功能卻強很多,所以采用帶有內(nèi)置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設備,降低了設備成本,提高了生產(chǎn)效率,節(jié)省了安裝調(diào)試時間。在滿足工藝要求的情況下應優(yōu)先采用。供水專用變頻器供水專用變頻器是將普通變頻器和PLC控制器集成在一起,是集供水管控一體化的系

17、統(tǒng),內(nèi)置供水專用PID調(diào)節(jié)器,只需加一只壓力傳感器,即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口,而壓力設定即可使用變頻器的鍵盤設定,也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設定多段壓力運行,以適應供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力。面板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)。系統(tǒng)供水有兩種基本運行方式:變頻泵固定方式和變頻泵循環(huán)方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵,可選擇“先開先關”和“先開后關”(適用泵容量不同場合)兩種水泵關閉順序;變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺泵,系統(tǒng)以“先開先關”的順序關泵。供水系統(tǒng)采用變頻供水技術可改善供水水質(zhì),且自

18、動化程度高,又是國家節(jié)能推廣技術,但若選擇使用不當,又會造成電能"浪費",因此設計人員在方案確定之前應根據(jù)用水性質(zhì)、用水特點、用水規(guī)模、設備投資等因素綜合考慮,在保證可靠供水前提下,充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能潛力。1.2課題的方案設計根據(jù)該題目的要求:有四臺水泵電機構(gòu)成次基于PLC的生活給水控制系統(tǒng),實現(xiàn)兩種工作模式,即手動模式和自動模式。手動模式:自由操作,可以只啟動水泵電機組的任何水泵電機;自動模式:1) 自動輪換2) 備用自投3) 先啟先停4) 故障檢測和指示方案1:這四臺水泵電機直接啟動,無變頻調(diào)節(jié)作用。 按照“先啟先?!?、“備用自投”運行,這個方案主要沒有變頻調(diào)節(jié)作用

19、,這對水資源不能合理的分配利用,浪費電力,這個方案僅對用戶需求流量較為穩(wěn)定的情況應用。方案2:由三臺主泵和一個變頻泵構(gòu)成,三臺主泵按照“先啟先?!?、“備用自投”運行,具有變頻調(diào)節(jié)作用,相對地合理的分配利用水資源,相對節(jié)約了電力,對整個系統(tǒng)是一個較為合理的解決方案。本課題采用方案2。1.3本文研究的內(nèi)容本文介紹可編程控制器(PLC)為控制核心,施耐德公司的ATV38系列帶內(nèi)置PID功能的變頻器為執(zhí)行元件,采用PID算法控制水泵電機轉(zhuǎn)速,即可調(diào)節(jié)出口管網(wǎng)壓力,使之達到用戶期望的恒定壓力。其中主要內(nèi)容包括恒壓供水原理,PLC原理,變頻調(diào)速原理,通過設置幾個主要器件I/O參數(shù),實現(xiàn)PLC,變頻器,壓力

20、傳感器之間的通訊、控制功能。2恒壓供水原理及工藝2.1系統(tǒng)的組成和基本工作原理變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由供水控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓泵組、穩(wěn)壓氣壓罐等組成。系統(tǒng)控制示意圖如圖2. 1:圖2. 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制示意圖供水控制系統(tǒng) 主要由交流變頻調(diào)速器、可編程控制器、外圍操作執(zhí)行機構(gòu)及保護電路、壓力傳感器、蓄水池液位控制器(水源缺水保護用)等組成。穩(wěn)壓泵組 穩(wěn)壓泵組主要由三臺主泵和一個變頻泵構(gòu)成,三臺主泵按照“先啟先?!薄ⅰ皞溆米酝丁边\行,其變頻泵供水揚程大于或等于主泵的供水揚程。它只在管網(wǎng)用戶流量需求變化時自動投入變頻運行,維持管網(wǎng)的壓力,補充小流量用水或管網(wǎng)的滲漏,同時使主泵在管網(wǎng)小流量和零流量時處

21、于停機狀態(tài)。氣壓罐 氣壓罐是一種密閉容器。大流量供水時,由水泵加壓,罐內(nèi)貯存的氣體被壓縮;在小流量或零流量供水時,被壓縮氣體泄壓膨脹,將貯存在罐內(nèi)的水壓輸入配水管網(wǎng),補充用戶的小流量用水或管網(wǎng)的滲漏,同時使主泵在小流量和零流量用水時處于停機狀態(tài)。系統(tǒng)由水泵機組、變頻柜、壓力儀表、管路系統(tǒng)等構(gòu)成。變頻柜由變頻器,PLC低壓電器等構(gòu)成。系統(tǒng)控制25KW水泵4臺。變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)工作原理如下:PLC的數(shù)據(jù)寄存器給出供水壓力設定值,由 FX2N-4DA轉(zhuǎn)換為模擬量的形式送入變頻器PID調(diào)節(jié)器輸入口AI1+、 AI1-,壓力傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口AI2+、AI

22、2-,變頻器根據(jù)PID調(diào)節(jié)器調(diào)整變頻水泵電機的電源頻率,進而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速3。系統(tǒng)正常運行時,用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數(shù)據(jù)采樣,并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,通過FX2N-4AD,PLC每秒鐘從4AD采集5次數(shù)據(jù),并把這5次數(shù)據(jù)的平均值求出,然后與用戶設定的壓力值的分界值進行比較運算,計算出工頻泵啟動臺數(shù)信號。通過對工頻泵的啟動和停止臺數(shù)及變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),及變頻器對變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),將用戶管網(wǎng)中的水壓穩(wěn)定于用戶預先設定的壓力值,使供水泵組“提升”的水量與用戶管網(wǎng)不斷變化的用水量保持一致,達到“變量恒壓供水”的目的。由于PID運算在變頻器內(nèi)部,這就省去了對可編程控制器存貯容

23、量的要求和對PID算法的編程,而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易,這不僅降低了生產(chǎn)成本,而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法,所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑,穩(wěn)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(shù),同時還可對反饋信號進行換算,使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。2.2系統(tǒng)框圖及工作模式如圖2.2所示,有兩種工作模式,其工作情況如下:手動模式:按工作人員的自由操作,可以只啟動水泵電機組的任何水泵電機。自動模式:當無液位浮力開關信號(為OFF)時,此系統(tǒng)水泵電機處于停機狀態(tài)。當液位浮力開關有信號(為ON)時,先啟動變頻水泵電機;如果供水不足時

24、,再啟動1臺主泵,變頻水泵電機起著對流量調(diào)節(jié),在運行過程中水泵電機按照“先啟先?!?、“備用自投”運行;如果還是供水不足時,啟動2臺主泵,變頻水泵電機起著對流量調(diào)節(jié);在運行過程中水泵電機按照“先啟先?!?、“備用自投”運行;如果還是供水不足時,3臺主泵都啟動,變頻水泵電機起著對流量調(diào)節(jié)。若用水量減少,按啟泵順序依次停止工頻泵,直到最后1臺泵變頻恒壓4。圖2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制框圖恒壓供水控制系統(tǒng)將交流變頻調(diào)速技術、可編程控制技術應用于水泵自動控制設備中,與水泵組相結(jié)合為電一體化供水裝置。該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬時壓力變化,自動調(diào)節(jié)某臺水泵電機的轉(zhuǎn)速和多臺水泵電機的投入和退出運行,滿足用戶恒壓變量供

25、水及變壓變量供水的需要,使供水管壓力保持恒定。2.3主要元器件選型器件:使用國產(chǎn)配置功率:30KW 電流:62A表2.1 器件列表器件名稱數(shù)量貨品型號規(guī)格可編程控制器1FX2N -32MR-001變頻器1ATV38(施耐德) PLC數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊1FX2N-4DAPLC模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊1FX2N-4AD空氣開關3DZ47-63/3P-50A交流接觸器4CJ-X1-45/22-220V熱繼電器33U-A59/25-40A壓力傳感器1YYB-ES(錢江儀器儀表廠)中間繼電器2JZ-C1-22V萬能轉(zhuǎn)換開關1LW112旋鈕3LAY37-NED1紅按鈕3LAY16-A-01R綠按鈕3LAY16-A-10G續(xù)

26、表2.1 器件列表器件名稱數(shù)量貨品型號規(guī)格紅指示燈5AD16-22R31綠指示燈4AD16-22G31熔斷器1HG30-32熔芯1RT14-10A電流表16L2-100/5A電壓表16L2-450V電流互感器1LMK-0.66-100/5A液位控制器261F-GP-N(歐姆龍)接線端子5JH9-15A接線端子13JH9-100A浮動開關1GSK-1B(精士)控制柜殼11200*600*3702.4該系統(tǒng)的特點結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,占地少,毋須建造高位水箱或水塔,投資省,安裝快,便于集中管理。采用進口變頻器及相關元器件,設計合理,操作簡便,性能可靠,全自動運行無人值守。具備多種故障顯示及備查記錄,完

27、善的欠壓、過壓、過流、過載、短路、缺相、水源缺水自動保護停機等保護功能,使用安全,維護簡便。自由設定管網(wǎng)壓力,按實際用水量來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,使其始終處于高效運轉(zhuǎn)狀態(tài);采用多臺小功率水泵電機成泵組代替大功率泵更能適合流量的急劇變化,避免“大馬拉小車”現(xiàn)象,節(jié)能效果更為顯著。與恒速泵供水相比,消除了超壓和回流的無功損耗。由變頻器或軟起動器實現(xiàn)水泵軟起動軟停止,使電網(wǎng)和管網(wǎng)免受沖擊;無水錘現(xiàn)象,大大降低設備運行噪音,延長相關設備的使用壽命。多臺泵有多種循環(huán)運行方式,均衡各泵運行時間,避免其中某臺水泵因閑置而銹蝕。直接向用戶供水,水質(zhì)無二次污染。品種規(guī)格齊全,可任意組合配套,應用范圍廣。控制程序化,可按

28、用戶需要實現(xiàn)多種控制方式。例如:定時開關系統(tǒng)、消防聯(lián)動、小流量和零流量自動關機睡眠、上位機集中管理等。管網(wǎng)常壓供水,可避免外露管路凍裂;可按需要任意調(diào)節(jié)設備供水壓力,滿足用水高峰期建筑頂層的水壓要求。3控制系統(tǒng)分析與設計3.1低壓電器設備部分恒壓供水控制系統(tǒng)設計具有手動模式和自動模式,手動模式主要是通過低壓電器設備控制,該低壓電器設備的控制示意圖由兩部分組成,如圖3.1和圖3.2:圖3.1 主電路圖如圖3.1和圖3.2所示:當撥動開關撥到“停止”時,其整個系統(tǒng)位于停止狀態(tài);當撥動開關撥到“自動”時,及實現(xiàn)自動工作模式;當撥動開關撥到“手動”時,及實現(xiàn)手動工作模式;2SB、4SB、6SB分別手動

29、控制1# 、2# 、3# 泵 啟動;1SB、3SB、5SB分別手動控制1# 、2# 、3# 泵 停止;1HG、2HG、3HG分別是1# 、2# 、3# 泵的工作指示燈;1KA分別是有液位控制的中間繼電器圖3. 2 控制電路圖當想手動啟動1# 泵時,按下2SB,2SB接通1KM接通1#水泵電機啟動;當想手動停止1# 泵時,按下1SB,1SB斷開1KM斷開1#水泵電機停止;當想手動啟動2# 泵時,按下4SB,4SB接通2KM接通2#水泵電機啟動;當想手動停止2# 泵時,按下3SB,3SB斷開2KM斷開2#水泵電機停止;當想手動啟動3# 泵時,按下6SB,6SB接通3KM接通3#水泵電機啟動;當想手

30、動停止3# 泵時,按下5SB,5SB斷開3KM斷開3#水泵電機停止。表3.1 低壓電器設備主要元件及其作用 元件名作用1SB手動模式 1# 泵 停止按鈕2SB手動模式 1# 泵 啟動按鈕3SB手動模式 2# 泵 停止按鈕4SB手動模式 2# 泵 啟動按鈕5SB手動模式 3# 泵 停止按鈕6SB手動模式 3# 泵 啟動按鈕1HG1 # 泵工作模式 指示燈續(xù)表3.1 低壓電器設備主要元件及其作用 元件名作用2HG2 # 泵工作模式 指示燈3HG3 # 泵工作模式 指示燈4HG4 # 變頻泵工作模式 指示燈1KH1 # 電機熱電保護的熱繼電器2KH2 # 電機熱電保護的熱繼電器3KH3 # 電機熱電

31、保護的熱繼電器4KH4 # 電機熱電保護的熱繼電器1KA水位控制的中間繼電器1FQ水位控制的浮力開關3.2控制柜面板設計根據(jù)上面的低壓電器設備主要元件,可以大致設計為如圖3.3所示:圖3.3 控制柜面板示意圖3.3 PLC控制部分PLC基本是實現(xiàn)自動工作模式,根據(jù)該系統(tǒng)的要求:PLC端口的大致分為如圖3.4所示:AI1-AI1+壓力傳感器電壓信號變頻器主速模擬量接口模塊1模塊0圖3.4 PLC端口分配示意圖注:s0為變頻器的故障輸出s1為在變頻器上的4#水泵電機的控制接口4軟硬件的基本原理介紹4.1 PLC可編程控制器(三菱 FX2N-32MR)1969年,在美國出現(xiàn)第一臺可編程序邏輯控制器(

32、Programmable Logic Controller)以來,經(jīng)過30多年的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)成為一種最重要、高可靠性、應用場合最多的工業(yè)控制微型計算機。它應用大規(guī)模集成電路、微型機技術和通信技術的發(fā)展成果,逐步形成具有多種優(yōu)點和微型、小型、中型、大型、超大型等各種規(guī)格的PLC系列產(chǎn)品,應用于從繼電器控制系統(tǒng)到監(jiān)控計算機之間的許多過程控制領域??删幊绦蚩刂破饕押蛿?shù)控技術及工業(yè)機器人并列為工業(yè)自動化的三大支柱5。初期的PLC只是用于邏輯控制場合,代替繼電器控制系統(tǒng)。隨著微電子技術的發(fā)展,PLC以微處理器為核心,適用于開關量、模擬量和數(shù)字量的控制,它已進入過程控制和位置控制等場合的控制領域。目前,

33、可編程序控制器既保留了原來可編程序邏輯控制器的所有優(yōu)點,又吸收和發(fā)展了其他控制裝置的優(yōu)點,包括計算機控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等。在許多場合,可編程序控制器可以構(gòu)成各種綜合控制系統(tǒng),例如構(gòu)成邏輯控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖形工作站等等。可編程控制器的特點可靠性高。由于可靠性是用戶選用的首位依據(jù),因此,每個PLC生產(chǎn)廠都將可靠性作為第一指標而加以研制,以單片機為核心,在硬件和軟件上采取大量的抗干擾措施,使PLC的平均無故障時間達到30萬小時以上,使用壽命更長??刂乒δ軓姟LC具有邏輯判斷、計數(shù)、定時、步進、跳轉(zhuǎn)、移位、記憶、四則運算和數(shù)據(jù)傳送等功能,可以實

34、現(xiàn)順序控制、邏輯控制、位置控制和過程控制等。編程方便,易于使用。PLC采用與繼電器電路相似的梯形圖編程,比較直觀,易懂易編,深受電氣技術人員和電工的歡迎,容易推廣應用。PLC可取代原繼電器控制系統(tǒng),有利于對老設備的技術改造。使用于惡劣的工業(yè)環(huán)境,抗干擾能力強。具有各種接口,與外部設備連接非常方便。采用積木式結(jié)構(gòu)或模塊式結(jié)構(gòu),有較大靈活性和可擴展性,擴展靈活方便。維修方便。PLC上有I/O指示燈,哪個I/O元件有故障,一目了然。可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或運行情況,隨時對程序進行在線修改,不用更改硬接線,靈活性大,適應性強??删幊炭刂破鞯墓ぷ髟鞵LC的等效工作電路PLC是一種微機控制系統(tǒng),其工作原理也

35、與微機相同,但在應用時,可不必用計算機的概念去做深入的了解,只需將它看成是由普通的繼電器、定時器、計數(shù)器、移位器等組成的裝置,從而把PLC等效成輸入、輸出和內(nèi)部控制電路三部分,如下圖4.1所示:圖4.1 PLC的等效工作電路1)輸入部分這部分的作用是接受被控設備的信息或操作0命令等外部輸入信息。輸入接線端是PLC與外部的開關、按鈕、傳感器轉(zhuǎn)換信號等連接的端口。每個端子可等效為一個內(nèi)部繼電器線圈,線圈號即輸入接點號,這個線圈由接收到的輸入端的外部信號來驅(qū)動,其驅(qū)動電源可由PLC的電源部件提供(如直流24V),也可由獨立的交流電源(如交流110V)供給。每個輸入繼電器可以有無窮多個內(nèi)部觸點(動合、

36、動斷形式均可),供設計PLC的內(nèi)部控制電路(即編制PLC控制程序)時使用。2)內(nèi)部控制電路這部分的作用是運算和處理由輸入部分得到的信息,并判斷應產(chǎn)生哪些輸出。內(nèi)部控制電路實際上也就是用戶根據(jù)控制要求編制的程序。PLC程序一般用梯形圖形式表示。而梯形圖是從繼電器控制的電氣原理圖演變而來的,PIC程序中的動合、動斷觸點、線圈等概念均與繼電器控制電路相同。在PLC內(nèi)部還設有定時器、計數(shù)器、移位器、保持器、內(nèi)部輔助繼電器等,繼電器控制系統(tǒng)沒有的器件,它們的線圈及動合、動斷觸點只能在PLC內(nèi)部控制電路中使用,而不能與外部電路相連。3)輸出部分 這部分的作用是驅(qū)動外部負載。在PLC內(nèi)部,有若干能與外部設備

37、直接相連的輸出繼電器(有繼電器、雙向硅、晶體管三種形式),它也有無限個軟件實現(xiàn)的動合、動斷觸點,可在PLC內(nèi)部控制電路中使用;但對應每一個輸出端只有一個硬件的動合觸點與之相連,用以驅(qū)動需要操作的外部負載;如圖23所示。外部負載的驅(qū)動電源接在輸出公共端(COM)上。 總之,在使用PLC時,可以把輸入端等效為一個繼電器線圈,其相應的繼電器接點(動合或動斷)可在內(nèi)部控制電路中使用,而輸出端又以等效為內(nèi)部輸出繼電器的一個動合觸點,驅(qū)動外部設備。PLC的工作過程 PLC一般采用循環(huán)掃描方式工作。當PLC加電后,首先進行初始化處理,包括清除IO及內(nèi)部輔助繼電器、復位所有定時器、檢查I/O單元的連接等。開始

38、運行之后,串行地執(zhí)行存貯器中的程序,這個過程可以分為如下四個階段6 1)公共處理階段這部分在每次循環(huán)開始都要被執(zhí)行,包括復位系統(tǒng)定時器、檢查程序存貯器、檢查IO總線、檢查掃描時間等。如出現(xiàn)異常情況,則通過自診斷給出故障信號,或自行進行相應的處理,這將有助于及時發(fā)現(xiàn)或提前預報系統(tǒng)的故障,提高系統(tǒng)的可靠性。這部分時間是固定的,對P型機來說,為1.26ms。 2)執(zhí)行外圍設備命令階段 當有簡易編程器、圖形編程器、打印機等外部設備與PLC相連時,則PLC在每次循環(huán)時,都將執(zhí)行來自外部設備的命令。 3)程序執(zhí)行階段 在這個階段,CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行,即按程序?qū)λ械臄?shù)據(jù)(輸入和輸出的狀態(tài))進行處理

39、,包括邏輯、算術運算,再將結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器。 4)輸入、輸出更新階段PLC的CPU在每個掃描周期進行一次輸入來進行輸出更新。CPU對各個輸入端進行掃描,并將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中;同時,把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成外部設備能接受的電壓或電流信號,以驅(qū)動被控設備。這種對輸入、輸出狀態(tài)的集中處理過程,稱為批處理,這是PLC工作的特點。圖4. 2 PLC內(nèi)部工作過程圖4.2進一步說明了上述PLC內(nèi)部工作過程。PLC工作時,上述過程周而復始,稱為掃描周期。PLC的掃描時間PLC完成一個掃描周期所需要的時間,稱為掃描周期時間,簡稱掃描時間。掃描時間地長短取決于系統(tǒng)的配置、IO

40、通道數(shù)、程序中使用的指令及外圍設備的連接等,循環(huán)中每個階段所需的時間加在一起就是掃描時間。各部分時間計算如下:1)公共處理時間t1。對P型機來說,這部分時間是固定的,即:(4.1)tl1.26ms 2)輸入,輸出更新時間t2。因為PLC的輸入通道數(shù)一般來說總是大于輸出通道數(shù),因此,在計算這部分時間時,可以輸入通道數(shù)為準,即認為在輸入更新時間內(nèi),輸出一定會更新完畢。這部分時間可按下式計算:(4.2)t20.29 + 0.07N(ms)其中N為輸入通道數(shù)減1。需要注意的是,若輸出通道數(shù)大于輸入通道數(shù),則N應取輸出通道數(shù)減1。3)程序執(zhí)行時間t3。這部分時間取決于在用戶程序中使用的指令的類型和條數(shù)。

41、把程序中使用的所有指今的執(zhí)行時間加在一起,就等于t3。4)執(zhí)行外設命令所需時間t4。當有外部設備與PLC相連時,其處理時間可按下述方法確定。首先,把上面算出的三個時間相加,再乘以0.05,即:(4.3)t4(t1 + t2 + t3)×0.05當t41時,則t41ms;當t41時,則以0.5ms為單位,進行四舍五入。例如,當t4=1.65ms時,則t41.5ms;若T41.8ms時,則取t42ms。注意:當沒有外設與PLC相連時t40ms。將上面四部分時間算出后相加,即為掃描時間T,即(4.4)Tt1 + t2 + t3 + t4在PLC內(nèi)部,系統(tǒng)定時器(俗稱“看門狗”)一般在上電時

42、設為130ms,當掃描時間超過130ms時,CPU將停止工作。但是,既使掃描時間沒有超過130ms,也可能對系統(tǒng)操作產(chǎn)生不良影響;掃描時間大于10ms時,高速定時器TIMH會出現(xiàn)故障;當掃描時間超過100ms時,普通定時器及0.1時鐘脈沖發(fā)生器將會出錯,并且報警。PLC的I/O響應時間用PLC設計一個控制系統(tǒng)時必須知道有了一個輸入信號后PLC經(jīng)過多長時間才能有一個對應的輸出信號,否則,就不能正確并精確地解決系統(tǒng)各部件之間的配合問題。從PLC的工作過程可知當PLC工作在程序執(zhí)行階段時,既使輸入狀態(tài)發(fā)生變化,即輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容發(fā)生變化,CPU執(zhí)行的輸入信號也不會變化,而要到下個周期的輸入、輸出

43、更新階段,才能有效。同理,暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號,也要等到下個掃描周期的輸入、輸出更新階段,才能集中輸出給輸出部件。從PLC收到一個輸入信號到PLC向輸出端輸出一個控制信號所需的時間,就是PLC的IO響應時間。響應時間是可變的,例如,在一個掃描周期的IO更新階段開始前瞬間收到一個輸入信號,則在本周期內(nèi)該信號就起作用了,這個響應時間最短,它是輸入延遲時間、個掃描周期時間、輸出延遲時間三者之和,如圖4.3所示:圖4.3 PLC的I/O響應時間(a)圖4.4 PLC的I/O響應時間(b)如果在一個掃描周期的IO更新階段剛過就收到一個輸入信號,則該信號在本周期內(nèi)不能起作用,必須等到下一個掃描

44、周期才能起作用,這時響應時間最長,它等于輸入延遲時間、二個掃描周期時間與輸出延遲時間三者之和,見圖4.4。4.2變頻器的原理與特性(ATV38)變頻器簡介變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電,輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類,而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器,中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓,經(jīng)濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd,逆變器將直流Ud

45、變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機進行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當于是恒壓源,故稱電壓型7。電流型交-直-交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源,故稱電流型。變頻與變壓(VVVF)原理當在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的過程中,當頻率f下降時,定子繞組的反電動勢E有所下降,定子電流增大,但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負載并未增加,故轉(zhuǎn)子段電流不變,根據(jù)電流平衡方程可知,勵磁電流比增大,因而磁通m增大。m增加將導致鐵芯的飽和,進而引起勵磁電流波形的畸變,這是不希望的結(jié)果,因此希望m可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標,只要在

46、變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const,則磁通m可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓,常用VVVF表示。VVVF實施的基本方法包括:脈幅調(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM) 8。脈幅調(diào)制(PAM)實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時,也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調(diào)節(jié)兩個部分:整流部分和逆變部分,兩者之間還必須滿足一定的關系,故控制電路比較復雜,因此比較少用。脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi),把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波,每個脈沖的寬度為t1,每個脈沖間的間隔寬度為t2,則脈沖的占空比=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比,所以在調(diào)節(jié)頻率時,不改變直流電

47、壓的幅值,而是改變輸出電壓脈沖的占空比,同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現(xiàn),與PAM相比電路簡化了許多,因此在變頻調(diào)速中比較常用。變頻調(diào)速的基本原理異步電動機的等效變換圖4.5 異步電動機的等效變換異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式:(4.5)其中:P為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù),S為轉(zhuǎn)差率。變頻調(diào)速的原理異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)磁場實際是三個交變磁場合成的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0=60f/p,其中f是電流頻率,P是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1

48、必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn)差率表示,轉(zhuǎn)差率s=( n0- n1)/n0根據(jù)n0=60f/p可知,當頻率f連續(xù)可調(diào)時,電動機的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào),而異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1,總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點,所以當n1連續(xù)可調(diào)時,n1也是連續(xù)可調(diào)9。變頻調(diào)速的升速和啟動異步電動機在額定頻率和電壓下直接啟動時,由于轉(zhuǎn)子繞組以同步轉(zhuǎn)速切割旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子電流都很大,故其啟動電流可達額定電流的4-7倍。這將對電源形成沖擊,引起電網(wǎng)電壓的波動。此外,由于啟動過程過于快捷,常常對機械負載形成沖擊,影響其使用壽;在泵水管道系統(tǒng)中,還會引發(fā)水錘效應,使管道受到損害。使用變頻器

49、后,由于其輸出頻率可以從很低頻率開始,頻率上升的快慢可以任意設定,從而可以有效地將啟動電流限制在一定的范圍內(nèi)。設定升速時間的基本原則:在電動機的啟動電流不超過允許值的前提下,盡可能地縮短升速時間。對于泵類負載升速方式選擇半S型。變頻調(diào)速的降速和制動在泵水管道系統(tǒng)中,由于水的阻尼作用,電動機的轉(zhuǎn)速能夠十分迅速地降下來,而不會引起再生制動的過電流和過電壓,但是降速太快,會導致管道系統(tǒng)出現(xiàn)“空化現(xiàn)象”,對管道有害無益,甚至會損害管道。因此,在降速停機時應設定足夠的降速時間,使轉(zhuǎn)速緩慢下降,從而保護管道。變頻后的電動機的機械特性設變頻后的頻率為fx,電壓為Ux,電動機的額定相電壓和頻率為UN和fN,則

50、有:(4.7)(4.6)其中kf為頻率可調(diào)比,ku為電壓可調(diào)比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式可得變頻后的轉(zhuǎn)矩公式:(4.8)其中:sx為頻率為fx時的轉(zhuǎn)差率。在變頻器正常工作情況下,即kfkm<1時的機械特性入下圖所示:圖4.6 kfkm<1時的機械特性由圖4.6可知隨著f的下降,臨界轉(zhuǎn)矩Tkx逐漸減少,電動機的帶負載能力也隨之下降。這無疑給變頻調(diào)速帶來了瑕點。所以如何改變變頻后的機械特性就成了關注的焦點。V/F控制是其中一種比較簡便的方法。水泵類平方律負載的機械特性含義:負載的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。(4.10)(4.9)其中:T0一空載轉(zhuǎn)矩,P0一空載時的功率損

51、耗,KT和KP為比例常數(shù)10。平方律負載的機械特性和功率特性曲線圖如圖4.7所示。圖4.7 機械特性 功率特性平方律負載主要是泵類和風機,其工作特點是:大多數(shù)在長期連續(xù)運行的狀態(tài)下工作,屬于連續(xù)恒定負載。大多數(shù)該類產(chǎn)品都和電動機連成一體,成為整體產(chǎn)品。因為負載轉(zhuǎn)矩是和轉(zhuǎn)速的平方成正比,所以一旦轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速,就會造成電動機嚴重過載。因此在變頻調(diào)速時,應該禁止在額定頻率以上運行。注:變頻調(diào)速(即f改變)瞬間時,負載特性曲線不變,轉(zhuǎn)速n不變,負載的阻轉(zhuǎn)矩TL不變;但是電動機機械特性曲線改變,從而電動機轉(zhuǎn)矩TM改變。電動機要能夠穩(wěn)定運行的條件是:升速時,TL<TM;降速時,TL>TM。

52、 V/F控制的概念基本思想針對kf = km時,當頻率下降,Ux在Ux中所占的比例增大,造成了m和Tkx下降的情況,采取適當提高調(diào)壓比而使kf < km的方法,來抵償比值Ux / Ux的增大,從而保持m = KEx/fx = const,最終使電動機的臨界轉(zhuǎn)矩得到補償。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補償,因為是通過提高U/F比而得到,故又稱為V/F控制或電壓補償。完全補償U/f線完全補償?shù)暮x是,不論fx多大(在fxfN的范圍內(nèi)),通過補償都能使臨界轉(zhuǎn)矩Tkx與額定頻率時的臨界轉(zhuǎn)矩Tkn相等,簡稱全補償。此時kf和km的關系如下:(4.11)由上式作出的km=f(kf)的曲線通常稱為U/f線。滿足上式

53、的機械特性曲線在所有頻率下的臨界轉(zhuǎn)矩Tkx都與Tkn相等。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉(zhuǎn)矩補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地決定補償?shù)某潭取J噶靠刂频母攀鍪噶靠刂频某晒嵤?,使得異步電動機變頻調(diào)速后的機械特性以及動態(tài)特性能達到足以和直流電動機調(diào)壓時的調(diào)速性能相媲美,從而使異步電動機變頻調(diào)速在電動機的調(diào)速領域全方位地處于優(yōu)勢地位?,F(xiàn)在許多新型的變頻器都提供了相應的矢量控制的功能。矢量控制基本設想根據(jù)一個三相交流的磁場系統(tǒng)和一個旋轉(zhuǎn)體上的直流磁場系統(tǒng),以兩相系統(tǒng)作過渡,可以相互進行等效變換的原理,所以將變頻器的給定信號變換成類似直流電動機磁場系統(tǒng)的控制信號,也就是說,假設有兩個互相垂直

54、的直流繞組同處于一個旋轉(zhuǎn)體上,兩個繞組中分別獨立地通入由給定信號分解而得的勵磁電流信號iM和轉(zhuǎn)矩電流信號iT,并且iM和iT作為基本控制信號,則通過等效變換,可以得到與基本控制信號iM等效的三相交流控制信號iA、iB、iC,去控制逆變電路。對于電動機在運行過程中的三相交流系統(tǒng)的數(shù)據(jù),又可以等效變換成兩個互相垂直的直流信號,反饋到給定控制部分,用以修正基本控制信號iM和iT。進行矢量控制時,可以和直流電動機一樣,使其中一個磁場電流信號iM不變,而控制另一個磁場電流信號iT,從而獲得和直流電動機類似的控制功能11?;究驁D如下圖所示,給定控制器將信號分解成兩個相互垂直且獨立的直流信號iM和iT,然后通過直/交變換將iM和iT變換成兩相直流電流信號i1和i2,又經(jīng)過2/3變換,得到三相交流控制信號iA、iB、iC,去控制逆變橋。圖4.8 矢量控制基本設想電流反饋用于反映負載的狀況,使直流信號的轉(zhuǎn)矩分量iT能隨負載而變,從而模擬出類似于直流電動機的工作狀況。速度反饋用于反映拖動系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異,并使之以最快的速度進行校正,從而提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。現(xiàn)在許多新系列的變頻器設置了“無反饋矢量控制”功能,這里“無反饋”是指不需要由用戶在變頻器外部另行設置反饋環(huán)節(jié)。無反饋矢量控制在

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