電力拖動課程設(shè)計變頻液位自動控制系統(tǒng)

1、目錄1前言11.1變頻液位系統(tǒng)的應(yīng)用11.2設(shè)計任務(wù)22變頻液位系統(tǒng)的基本構(gòu)成與工作原理32.1變頻液位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖32.2液位自動控制系統(tǒng)原理32.3電動機(jī)的調(diào)速原理32.4變頻調(diào)速節(jié)能原理分析42.5變頻液位系統(tǒng)的工作原理53變頻液位系統(tǒng)主電路設(shè)計及元件清單63.1主電路設(shè)計結(jié)果63.2主要參數(shù)計算及器件選擇63.3主電路元件清單64變頻液位系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計及元件清單74.1保護(hù)電路設(shè)計結(jié)果75變頻液位系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計85.1驅(qū)動電路設(shè)計結(jié)果85.2驅(qū)動電路主要參數(shù)計算及器件選擇85.3驅(qū)動電路元件清單106設(shè)計心得116.1變頻液位自動系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)116.2變頻液位自動系統(tǒng)設(shè)計的缺點(diǎn)

2、117參考文獻(xiàn)118附錄：設(shè)計總圖121前言水是一個和人的生存息息相關(guān)的物質(zhì)，而水位換言之即液位，它則是一種生產(chǎn)、生活中需要測量和控制的重要物理量，液位控制廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與居民生活中。比如，民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水，如果排水或進(jìn)水控制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。液位控制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動強(qiáng)度大或者操作有一定危險性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成

3、廠家的的損失。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的過分消耗日益成為影響經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定快速增長的阻力，為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，實(shí)現(xiàn)能源充分利用，就需要對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，研究變頻液位就是節(jié)能研究的主要內(nèi)容之一。隨著電力電子技術(shù)以及工業(yè)自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展,使得變頻液位系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)與居民生活領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于PLC的功能強(qiáng)大、容易使用、高可靠性。常常被用來作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比,利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，繼而達(dá)到節(jié)能和提高控制精度、自我保護(hù)等特點(diǎn)。本課題就是根據(jù)PLC和變頻器，設(shè)計變頻液位自動控制系統(tǒng)。PLC的作用是運(yùn)用PID算

4、法對系統(tǒng)進(jìn)行控制，而變頻器的作用則是最電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，最終達(dá)到變頻調(diào)速的目的。1.1變頻液位系統(tǒng)的應(yīng)用20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、

5、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。1.2設(shè)計任務(wù)1課題完成的功能：設(shè)計變頻液位控制系統(tǒng)的主電路和控制電路以及驅(qū)動電路。并針對驅(qū)動電路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，使計算機(jī)對水箱有較好的控制，在此基礎(chǔ)上對元件進(jìn)行選?。喊≒LC控制器，電機(jī)，變頻器，液位變送器等。2設(shè)計任務(wù)及要求：（1）設(shè)計液位變頻控制系統(tǒng)的主電路圖、控制電路和驅(qū)動電路圖并且繪制。（2）對各個電路中需要涉及的參數(shù)進(jìn)行計算。（3）結(jié)合實(shí)際對主電路以及驅(qū)動電路各個元件進(jìn)行選取。（4）對驅(qū)

6、動電路中計算機(jī)對水箱的控制建立數(shù)學(xué)模型，以便控制方便，準(zhǔn)確。3技術(shù)參數(shù)：（1）電動機(jī)的參數(shù)：額定功率125Kw 額定電壓380V 額定電流220A 額定轉(zhuǎn)速1450rpm 額定效率0.92。（2）接線方式為 短路電抗標(biāo)準(zhǔn)值為0.192過載能力1.2倍、電網(wǎng)電壓380V、50Hz。2變頻液位系統(tǒng)的基本構(gòu)成與工作原理2.1變頻液位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖流量計液位傳感器泵變頻器PLC報警液位顯示圖2-1液位自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2液位自動控制系統(tǒng)原理圖2-2液位自動控制系統(tǒng)原理圖2.3電動機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： （2-1）式中：f表示電源頻率，p表示電動機(jī)極對數(shù)，s表示

7、轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有：（1） 改變電源頻率。（2） 改變電機(jī)極對數(shù)。（3）改變轉(zhuǎn)差率。改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗7，且成本高而影響它的推廣價值。2.4變頻調(diào)速節(jié)能原理分析1交流電機(jī)變頻調(diào)速原理根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足下式：（同步電動機(jī)

8、） （2-2）（異步電動機(jī)） （2-3）式中：電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速電動機(jī)異步轉(zhuǎn)速電動機(jī)定子極對數(shù)交流電源頻率電動機(jī)轉(zhuǎn)差率電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電源頻率，電動機(jī)極對數(shù)，電動機(jī)轉(zhuǎn)差率（異步電動機(jī)）變化。由于電動機(jī)的極對數(shù)只能有級調(diào)節(jié)并且調(diào)整量有限，因此調(diào)速范圍有限，從而使其應(yīng)用受到限制。而使用過大的轉(zhuǎn)差率調(diào)速顯然是不經(jīng)濟(jì)的，對電動機(jī)的功率因數(shù)及效率的影響也很大，故應(yīng)用范圍十分有限。變頻調(diào)速則通過改變電動機(jī)的輸入頻率改變其空間旋轉(zhuǎn)磁場的角速度達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電源頻率的變化而改變，電源頻率 增加，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之增加，反之則下降。變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)了在不影響電動機(jī)各項性能前提下的速度無級調(diào)節(jié)、恒

9、轉(zhuǎn)矩調(diào)速或恒功率調(diào)速等調(diào)速方式，因此受到工業(yè)界的廣泛重視，應(yīng)用案例越來越多。2水泵特性分析及節(jié)能原理 根據(jù)流體力學(xué)原理，在管徑一定的條件下，管道流量 Q 與水泵轉(zhuǎn)速 n 成正比；揚(yáng)程 H 與轉(zhuǎn)速平方()成正比，而電機(jī)軸功率 P 與轉(zhuǎn)速的三次方()成正比?？梢姰?dāng)流量僅下降到 80%時需要的功率 P將下降到額定功率的 50%(0.830.5)左右，當(dāng)流量下降到 50%時需要的功率 僅為額定功率的13%圖 2 是水泵特性曲線。若要求恒壓于 HA，當(dāng)流量 QA變小至?xí)r，如果水泵轉(zhuǎn)速不變，壓力會上升至 B1，壓力傳感器輸出壓力上升信號，經(jīng)智能調(diào)節(jié)器分析運(yùn)算后輸出轉(zhuǎn)速下降信號給調(diào)速電機(jī)的變頻控制器，調(diào)速電

10、機(jī)轉(zhuǎn)速隨即從降低至（B點(diǎn)），使管網(wǎng)壓力維持在 HA；同理，當(dāng)流量變化至?xí)r，壓力升至 點(diǎn)而調(diào)速電機(jī)隨即降低轉(zhuǎn)速至（C 點(diǎn)），仍保持恒壓 HA，從而實(shí)現(xiàn)了水泵自動恒壓變流量供水。可見調(diào)速控制變載水泵具有顯著的節(jié)電效果。利用變頻器可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動、平滑地增速或減速，基本保持異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，具有效率高、范圍寬、精度高且能無級變速的優(yōu)點(diǎn)，這對于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備是很適用的。夜間供水量急劇減少時，可方便地設(shè)定每日休眠工作的起始/停止時刻，并可設(shè)定休眠時的壓力給定值。休眠期間，變頻器監(jiān)測管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力低于設(shè)定植時，系統(tǒng)被自動喚醒，變頻泵投入工作；壓力高于設(shè)定值時，系統(tǒng)再次進(jìn)入休

11、眠狀態(tài)，只有休眠水泵運(yùn)行，這樣能最大限度地節(jié)水節(jié)電。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低 20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)（2040）%。同時，通過采用變頻器控制，可在不同季節(jié)、節(jié)假日、白天和晚上及上下班等時間全面調(diào)控水量。2.5變頻液位系統(tǒng)的工作原理變頻器采用PID恒定控制，它采集外部信號作為反饋信號。PLC對水泵的運(yùn)行模式、機(jī)組的選擇及機(jī)組的起動停止等進(jìn)行控制。以上控制信號都為PLC的輸入信號。一級泵站水泵的起止信號取自清水池內(nèi)所裝的液位傳感器，當(dāng)水位達(dá)到低限位液位傳感器給出啟動水泵的信號。當(dāng)水位達(dá)到高限位時，液位傳感器給出停止水泵運(yùn)行的信號。二級泵站的反饋信號取自

12、出水管出遠(yuǎn)傳壓力表。當(dāng)壓力高于設(shè)定值時，變頻器變頻，水泵電機(jī)減速。當(dāng)壓力低于設(shè)定值時，變頻器變頻，水泵電機(jī)加速。在二級泵站水泵的運(yùn)行當(dāng)中，它將受到一級泵站的清水池的缺水信號的控制，以此來防止清水池幾乎缺水時水泵空轉(zhuǎn)。缺水液位開關(guān)設(shè)置在低水位下方的0.5米處。3變頻液位系統(tǒng)主電路設(shè)計及元件清單3.1主電路設(shè)計結(jié)果圖3-1變頻液位控制主電路圖3.2主要參數(shù)計算及器件選擇水箱液位自動控制電機(jī)采用2.2KW的常用泵轉(zhuǎn)速，即可滿足水箱水位液位穩(wěn)定，本設(shè)計采用兩臺變頻器，兩臺電動機(jī)，通過PLC控制液位的自動調(diào)節(jié)兩臺電機(jī)分別控制進(jìn)水與出水，以便能讓其迅速響應(yīng)。3.3主電路元件清單表3-1設(shè)備清單器件名稱器件

13、數(shù)量器件型號變頻器2臺HLPA03D743B電機(jī)2臺TPW100-160IAPLC控制器1臺XC-E4AD2DA4變頻液位系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計及元件清單4.1保護(hù)電路設(shè)計結(jié)果檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護(hù)回路主要包括以下幾種：(1)逆變器保護(hù)1.瞬時過電壓保護(hù)：由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。2.過載保護(hù)：逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達(dá)規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、線路等損

14、壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路）。過負(fù)載是由于負(fù)載的GD2（慣性）過大或因負(fù)載過大使電動機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。3.再生過電壓保護(hù)：采用逆變器使電動機(jī)快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。4.瞬時停電保護(hù)：對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10ms以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。5.接地過電流保護(hù)：逆變器負(fù)載側(cè)接地時，為了保護(hù)逆變器，有時要有接地過電流保護(hù)功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設(shè)漏電斷路器。6.

15、冷卻風(fēng)機(jī)異常：有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，但風(fēng)機(jī)異常時裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。(2)異步電動機(jī)的保護(hù)1.過載保護(hù)：過載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機(jī)內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機(jī)負(fù)載、增加電動機(jī)及逆變器容量等。2.超頻（超速）保護(hù)：逆變器的輸出頻率或者異步電動機(jī)的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。(3)其他保護(hù)1.防止失速過電流：急加速時，如果異步電動機(jī)跟蹤遲緩，則過電流保護(hù)電路動作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速）。所以，在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻

16、率上升或使頻率下降。對于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過電流，也進(jìn)行同樣的控制。2.防止失速再生過電壓：減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護(hù)電路動作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。5變頻液位系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計5.1驅(qū)動電路設(shè)計結(jié)果圖5-1驅(qū)動電路設(shè)計圖5.2驅(qū)動電路主要參數(shù)計算及器件選擇本設(shè)計以單容水箱為研究對象。要對該對象進(jìn)行較好的計算機(jī)控制，有必要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法進(jìn)行建模。如圖2-1，設(shè)水箱的進(jìn)水量為，出水量為，水箱的液面高度為，出水閥固定于某一開度值。若作為

17、被控對象的輸入變量，為其輸出變量，則該被控對象的數(shù)學(xué)模型就是與 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有得到如下表達(dá)式： （5-1）將式（5-1）表示為增量形式如下： （5-2）式中，、分別為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量； C水箱底面積。在零初始條件下，對上式求拉氏變換得：（5-3）式中，為水箱的時間常數(shù)。PID控制原理：數(shù)字PID控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-5所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。圖5-2模擬PID控制系統(tǒng)原理框PID

18、控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差（5-4）將偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為（5-5）寫成傳遞函數(shù)形式為：（5-6）式中： 比例系數(shù)；積分時間常數(shù)；微分時間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。

19、2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報。但過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。5.3驅(qū)動電路元件清單表5-1驅(qū)動電路元件清單器件名稱數(shù)量型號PLC控制器1臺XC-E4AD2DA變頻器2臺HLPA03D743B液位變送器1個UHZ系列6設(shè)計心得6.1變頻液位自動系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)1采用PLC控制設(shè)計，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。PLC編程簡單，容易被人接受，易懂。2采用PLC設(shè)計安裝容易，維護(hù)工作量少，采用分裝的方式，可以在惡劣環(huán)境下工作，它的體積小，而且功能完善，通用性特別強(qiáng)，性價比高。3。在設(shè)計過程中添加保護(hù)電路，保護(hù)電路可以保護(hù)電路正常運(yùn)行，減少損失。6.2變頻液位自動系統(tǒng)設(shè)計的缺點(diǎn)1.在對設(shè)計以單容水箱控制時，建立了數(shù)學(xué)，在對進(jìn)水口和出水口取值方面會有誤差，影響總體的設(shè)計效果。2在對PID現(xiàn)場參數(shù)取值時，