通用變頻器在恒壓供水系統(tǒng)的應用

1、 湖南工程學院課程設計任務書課程名稱： 運動控制系統(tǒng) 題 目：通用變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應用 專業(yè)班級： 自動化0701 學生姓名： 李興帆 學號： 22 指導老師： 趙葵銀.唐勇奇.劉星平 審 批： 任務書下達日期 2010年12 月13日設計完成日期 2010年 12月24日 設計內容與設計要求一、設計內容：1、電路功能：1）變頻器用于恒壓供水系統(tǒng)，對供水系統(tǒng)進行恒壓調節(jié)。2）電路由主電路與控制電路組成，電路主要環(huán)節(jié)：變頻器主電路及相關濾波環(huán)節(jié)?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：電壓電流檢測單元、檢測與故障保護電路、各類調節(jié)器等。3）系統(tǒng)要求檢測電路與保護電路設計較完整。2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電

2、路設計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計算及選型3）主電路保護環(huán)節(jié)設計4. 控制電路設計與分析1）檢測電路設計2）功能單元電路設計3）各類調節(jié)器設計4）控制電路參數確定二、設計要求：1）要求采用工業(yè)通用變頻器的雙閉環(huán)系統(tǒng)進行恒壓供水系統(tǒng)設計。2）設計思路清晰，給出整體設計框圖；3）單元電路設計，給出具體設計思路和電路；4）分析各部分電路的工作原理，給出必要的波形分析。5）繪制總電路圖6）寫出設計報告； 主要設計條件1、設計依據主要參數1） 輸入電壓：三相（AC）380V（1+10%）2） 使用1臺變頻器帶動3臺常用泵，供水量大時，采用3臺泵，供水量少時，采用1臺泵，3） 提供繼電器接

3、觸器控制圖。2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設計封面；2 任務書；3 說明書目錄；4 設計總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設計（各單元電路圖）；6 故障分析與電路改進、實驗及仿真等。7 總結與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻；10課程設計成績評分表 進 度 安 排第一周星期一：課題內容介紹和查找資料；星期二：總體電路方案確定星期三：主電路設計星期四：控制電路設計 星期五：控制電路設計；第二周星期一：控制電路設計星期二：電路原理及波形分析等星期四五：寫設計報告，打印相關圖紙； 星期五下午：答辯及資料整理 參 考 文 獻1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)

4、(第3版)M.機械工業(yè)出版社，2003.82 王兆安 黃俊.電力電子技術（第4版）.機械工業(yè)出版社，2000.53 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統(tǒng)M.機械工業(yè)出版社，1998.54 李華德.交流調速控制系統(tǒng)M.電子工業(yè)出版社，2003.35 張燕賓.SPWM變頻調速技術M.機械工業(yè)出版社，1997.126 譚建成.電機專用集成電路M.機械工業(yè)出版社，1997.87 劉祖潤 胡俊達.畢業(yè)設計指導.機械工業(yè)出版社，19958 許大中，賀益康.電機控制M.浙江大學出版社，1996.119 張燕賓等.實用變頻調速技術培訓教程M. 機械工業(yè)出版社，2003.710 劉星平電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng)

5、.校內，1999 目錄第1章 總體方案設計11.1總體思路 11.2總體結構框圖 11.3系統(tǒng)硬件選型 2第2章 各單元電路設計 32.1主電路設計 32.2 繼電器控制電路設計 42.3 PLC控制電路設計52.4 PID調節(jié)電路設計 62.5電路各項參數檢測與保護7第3章 PLC程序設計 83.1 PLC程序設計流程圖83.2PLC輸入輸出引腳分配83.3PLC程序10第4章 故障分析與電路改進13第5章 總結與體會14第6章 參考文獻15第7章 附錄（總電路圖）16第1章 總體方案設計1.1總體思路本設計主要由3臺水泵、1臺變頻器、PLC以及線性遠傳壓力傳感器等組成。其中PLC、變頻器和

6、壓力傳感器組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。使用1臺變頻器帶動3臺常用泵，供水量大時，采用3臺泵，供水量少時，采用1臺泵。在大范圍上控制供水的流量； 變頻器內部PID調節(jié)器控制變頻器對變頻泵進行速度調節(jié)，在小范圍上控制供水的流量。水泵的速度調節(jié)采用變頻調速技術，利用變頻器對水泵進行速度控制。水泵電機為執(zhí)行裝置，其轉速由變頻器控制，實現變流量恒壓供水。變頻器接受控制發(fā)出的信號，實現對水泵的速度控制；控制器綜合給定信號與反饋信號，經過PID的調節(jié)，向變頻器輸出運轉頻率指令。壓力傳感器檢測出管網的實時出水壓力，并將其轉變?yōu)榭刂破骺山邮艿哪M信號（即反饋信號），這樣就構成了雙閉環(huán)的實時恒壓供水控制系統(tǒng)。1.2 總

7、體結構框圖 控制器水泵 電機變頻器壓力傳感器出水壓力檢測運行指令頻率指令反饋給定+用戶圖1-1 變頻恒壓供水結構圖 1.3 系統(tǒng)硬件選型（1）.水泵選型：跟據以上用戶的流量，選擇三臺大功率水泵組的電機功率分別為7.5KW，三臺大功率水泵組用于白天對用戶的恒壓供水，以達到恒定水壓和節(jié)能的目的，（2）.CPU選型：根據本次設計的通用變頻器恒壓供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226型，其數字量輸出（DQ）為16點，輸出形式為DC24V繼電器輸出；數字量輸入CPU226為24點，輸入形式為24V直流輸入。（3）.變頻

8、器選型：跟據實際設計需要，所選擇變頻器的富士型號是FRN5.5P11S-4，參數為適用的電動機容量為5.5KW輸出電路MC2為SC-05,額定電流為20，主電路部和接地端子均為3.5。（4）.壓力傳感器選型：本設計選擇YTT-150型號的遠傳壓力傳感器，由于選取的揚程為H=50m，所以待測壓力值為0.6MPa第2章 各單元電路設計2.1 主電路設計2.1.1主電路電路圖 圖2-1變頻器恒壓供水主電路2.1.2主電路電路說明該系統(tǒng)包括3臺水泵電動機M1、M2、M3，其中M1的功率為45kW，M2為22kW，M3為22kW。該系統(tǒng)為一臺變頻器依次控制每臺水泵實現軟啟動及轉速的調節(jié)，實現恒壓控制。系

9、統(tǒng)具有變頻及工頻兩種運行狀態(tài)，當變頻泵達到水泵額定轉速后，如水壓在所設定的判斷時間內還不能滿足恒壓值時，系統(tǒng)自動將當前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài)，并指示下一臺泵為變頻泵，其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3工頻運行，KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3變頻運行，KM0控制變頻器的工作。2.2繼電器控制電路設計2.2.1繼電器控制電路界限圖 圖2-2繼電器控制線路圖2.2.2 繼電器電路說明其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3工頻運行，KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3變頻運行，KM0控制變頻器的工作。KA0KA6為中間繼電器，它們分別

10、控制KM0KM6工作。HL0HL6為指示燈，其中HL0為電源指示燈，HL1HL3分別指示M1M3的工頻運行，HL4HL6分別指示M1M3的變頻運行。2.3 PLC控制電路設計2.3.1 PLC控制電路的連接圖 圖2-3 PLC控制電路的連線圖2.3.2 PLC控制電路說明圖中SA7為手動/自動控制轉換開關，SA8為自動起/?？刂妻D換開關，P1為壓力上限，P2為壓力下限，SA1為1#水泵手動起動開關，SA2為1#水泵手動停止開關，SA3為2#水泵手動起動開關，SA4為2#水泵手動停止開關，SA5為3#水泵手動起動開關，SA6為3#水泵手動停止開關，KA0KA6為中間繼電器，它們分別控制KM0KM

11、6工作。2.4 PID調節(jié)電路設計2.4.1 PID調節(jié)電路的接線圖 圖2-4 PID調節(jié)電路的接線圖2.4.2 PID調節(jié)電路說明PID調節(jié)器電路如圖5所示，PID調節(jié)器的引腳11、12為電流輸出信號，接圖1中的變頻器的引腳3、4，PID調節(jié)器的引腳18接圖3中的PLC輸入端子X4，PID調節(jié)器的引腳19接圖3中的PLC輸入端子X5。PID調節(jié)器接受壓力傳感器送來的壓力信號，自動調整變頻器的頻率給定輸入，從而控制變頻器的輸出電壓，進而控制變頻泵的轉速，實現變頻泵水流量的穩(wěn)定控制。2.5 電路各項參數檢測與保護功率稍大的風冷式變頻器中的散熱系統(tǒng)一般都是由多個散熱器組成，并配備軸流風機。每一塊散

12、熱器上各安裝一只熱敏元件，有些變頻器在主控板上也安裝一只熱敏元件，利用 pth4。四只熱敏元件串聯后接光耦元件p4。正常狀態(tài)下，熱敏元件為常閉觸點，光耦導通輸出信號為0;當散熱片過熱時熱敏元件斷開，光耦截止，輸出信號為1，該信號經rc濾波后去關閉igbt的驅動信號并通知cpu發(fā)出過熱報警信號。在電源的檢測中，電源缺相和接地故障檢測常用的方法是通過套在主回路(輸入或輸出)上的電流互感線圈檢測三相電流平衡程度來實現的，正常時光耦截止輸出為 1。當某相電源對地漏電或缺相時，由于三相電流不平衡檢測線圈會感應出電勢，光耦p512導通，發(fā)出故障信號，。在熔斷器發(fā)生故障時，熔斷器檢測是從fuse兩端取電壓信

13、號，快熔正常時，兩端電壓極小，保護電路不動作。當快熔因過流燒斷時，兩端電壓變高，光耦導通發(fā)出故障信號，經兩個施密特反相器驅動后送至cpu。第3章 PLC程序設計3.1 PLC的程序設計流程圖開始上電初始化啟動變頻器/保持壓力低/ 增加水泵變頻器復位變頻器復位關斷當前變頻信號水泵減1產生當前泵工頻信號關斷當前變頻信號水泵加1產生當前泵工頻信號產生下臺泵變頻運行信號產生上臺泵變頻運行信號壓力高/ 減少水泵頻率上限頻率下限yyNN圖3-1 PLC程序設計流程圖3.2 PLC輸入輸出引腳分配表3-1 輸入引腳分配作 用名 稱地 址變頻器故障FAI0.0水泵1過載FR1I0.1水泵1停止KA1I0.2水

14、泵2過載FR2I0.3水泵2停止KA2I0.4水泵3過載FR3I0.5水泵3 停止KA3I0.6啟動變頻器KA0I0.7水位上限P1I1.0水位下限P2I1.1反饋/I1.2表3-2 輸出引腳分配作 用名 稱地 址水泵1變頻運行KM1Q0.0水泵1工頻運行KM2Q0.1水泵2變頻運行KM3Q0.2水泵2工頻運行KM4Q0.3水泵3變頻運行KM5Q0.4水泵3工頻運行KM6Q0.5變頻器工作KM0Q0.6變頻器復位RSTQ1.0變頻器通信電纜屏蔽SDQ1.1變頻器正轉FWDQ1.2變頻器自由旋轉BXQ1.3接點公共輸入端CMQ1.43.3 PLC程序 AB <= VB301,1 EU /

15、網絡注釋調用初始化程序 = M0.1 LD SM0.1 INCB VB301 CALL SBR0 Network7/ Network 2 / 啟動變頻器 LDD <= VD250,1000 LD I0.7 AN M0.2 S M0.7, 1 TON T38,30 AN I0.0 Network8/ = M0.7 LD T38 Network 3 AB > VB301,0LD M0.7 EU S Q0.6, 1 = M0.2 AN I0.0 DECB VB301 = Q0.6 Network9/ Network 4 / LD M0.1 LD SM0.1 O Q0.3O I0.7 O

16、Q0.1INCB VB300 = Q1.5Network 5 / Network11/LD M0.7 LD M2.0 AD>= VD250, VD208 TON T33,2AN M0.1 Network12/TON T37, 50 LD T33Network 6 / LD T37 接右 EU MOVB 1, VB300= M0.4 Network20/Network 13 / LDB = VB301,0LD M0.4 A SM0.5S M2.1, 1 EUINCB VB300 INCD VD 310Network 14 Network21/LD M2.1 LDD = VD310,180T

17、ON T34, 2 EUNetwork 15 / = M0.3LD T34 MOVD +0, VD310EU Network22/= M0.5 LDB <> VB301,0R M2.1, 1 MOVD 0, VD310Network 16 / Network23/LD M0.5 LD SM0.1S M2.2, 1 O M0.0Network 17 O M0.6LD M2.2 AB = VB300,1 TON T39, 30 O Q0.5Network 18 / A I0.4LD T39 AN M0.3EU AN I1.1= M0.6 AN I1.0R M2.2, 1 AN M0.4

18、R M2.0, 1 AN Q0.4Network 19 / = Q0.5LDB> VB300, 3 接右 Network24/LD M0.6 OLD AB > VB301,0AB= VB300, 2 ALD LDB = VB301,2O Q0.3 AN I1.0 AB > VB301,1A I0.5 AN I1.1 OLDAN M3.0 A I0.4 ALDAN I1.1 AN Q0.5 A I0.6AN I1.0 = Q0.4 AN I1.1AN M0.4 A Q0.0 AN I1.0AN Q0.2 = Q0.1 AN Q0.1= Q0.3 Network27/ = Q0.

19、0Network 25 / LD M0.5 AN I1.1LD M0.6 O Q0.2 AN I1.0AB= VB300, 3 LDB = VB300,3 AN Q0.4O Q0.1 AB > VB301,0 = Q0.5A I0.6 LDB = 301,1AN I1.1 AB > VB301,1AN I1.0 OLDAN M3.0 ALDAN M0.4 A I0.5AN Q0.0 AN I1.1= Q0.1 AN I1.0Network 26 / AN Q0.3LD M0.5 = Q0.2O Q0.4 = Q0.3LDB= VB300, 2 Network28/AB> VB

20、301, 0 LD M0.5LDB= VB300, 3 O Q0.0AB> VB301, 1 接右 LDB = VB300,1 接右第5章 故障分析與電路改進電機從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時，變頻器內的功率器件立即關閉，電機的電流不能躍變，功率器件旁的并聯二極管提供了續(xù)流通路，殘余電壓經二極管整流器和中間環(huán)節(jié)電容流通，轉子電阻消耗能量，電機的定子也能消耗部分能量，因此，殘余電壓的衰減比較快，雖然在切換時仍有一定的殘余電壓，但對變頻器影響已經很小，對電機壽命也無多大的影響。自耦減壓起動器切換時，電機內定子的殘余電壓無通路流通，只有轉子回路是閉合回路，也只有轉子電阻消耗能量，殘余電壓的衰減比較慢。切換時，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大，對電機有一定的影響，電機設計時已充分考慮了這些因素。在控制中可以結合計算機控制來使電機達到良好的運轉性能。第6章 總結與體會 通過兩周的專業(yè)課程設計。使我再一次翻閱了我的書本。此次的課程設計可以說讓我的知識再一次的復習，在前面的課堂上把自己沒有弄懂的查漏補缺。在這個課程設計中，我的課題是通用