恒壓供水系統(tǒng)(多泵)

1/1恒壓供水系統(tǒng)(多泵)目錄

1變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介(1)

1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析(1)

1.1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理(1)

1.1.2變頻恒壓控制理論模型(2)

1.2恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成(3)

1.3變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義(3)

2變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)(4)

2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求(5)

2.2恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)(6)

2.3系統(tǒng)工作過程(7)

3器件的選型及介紹(9)

3.1變頻器簡(jiǎn)介(9)

3.1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類(9)

3.1.2變頻器的控制方式(9)

3.2變頻器選型(10)

3.2.1變頻器的控制方式(10)

3.2.2變頻器容量的選擇(11)

3.2.3變頻器主電路外圍設(shè)備選擇(13)

3.3可編程控制器(PLC)(15)

3.3.1PLC的定義及特點(diǎn)(15)

3.3.2PLC的工作原理(16)

3.3.3PLC及壓力傳感器的選擇(16)

4PLC編程及變頻器參數(shù)設(shè)置(18)

4.1PLC的I/O接線圖(18)

4.2PLC程序(18)

4.3變頻器參數(shù)的設(shè)置(22)

4.3.1參數(shù)復(fù)位(22)

4.3.2電機(jī)參數(shù)設(shè)置(22)

總結(jié)(23)

1變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析

1.1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理

供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不

變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q)，如圖1-1

所示。

圖1-1供水系統(tǒng)的基本特征

由圖可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q(u)間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系HJ(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量Qc之間的關(guān)系Hf(Qc)。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖中A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖1-1為供水系統(tǒng)的基本特征。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通

常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器

調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水

系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定

子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。

1.1.2變頻恒壓控制理論模型

變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管

網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可

以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段，

恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上從圖1-2中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓

力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量

和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率

使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過程中該過程將被重復(fù)，

直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。

圖1-2變頻恒壓控制原理圖

1.2恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成

變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵連成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。

水壓由壓力傳感器的信號(hào)4-20mA送入變頻器部的PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器置PID運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)，以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。由于變頻器部自帶的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(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡(jiǎn)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(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)程序包括主程序和起動(dòng)子程序，主程序包括參與調(diào)節(jié)程序和電機(jī)切換程序；電機(jī)切換程序又包括加電機(jī)程序和減電機(jī)程序。起動(dòng)子程序?qū)嶋H上是清零子程序。在主程序中，設(shè)置兩個(gè)變頻器頻率上下限到達(dá)濾波時(shí)間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。

1.3變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義

眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可或缺的重要組分部分，但我國(guó)長(zhǎng)期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面的技術(shù)一直比較落后，工業(yè)自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)生產(chǎn)生活用水量常隨時(shí)間的變化而發(fā)生變動(dòng)，季節(jié)、晝夜相差很大。再用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象；而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過應(yīng)求的現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)還有可能造成水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗，而且對(duì)電網(wǎng)中其他符合造成影響，設(shè)備不斷啟停會(huì)影響設(shè)備壽命；后者則需要大量的占地與投資。且由于是二

次供水，不能保證供水質(zhì)的安全與可靠性。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水帶來的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)約鋼材、節(jié)約占地、節(jié)約投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。我過泵站的特點(diǎn)是數(shù)量大、圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動(dòng)能消耗在水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。

以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)與一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)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(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)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(xiàn)實(shí)意義。

2變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

本系統(tǒng)是以一個(gè)供水系統(tǒng)作為被控對(duì)象，PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與啟動(dòng)和停止。

系統(tǒng)控制要求:

(1)工藝參數(shù):供水系統(tǒng)由3臺(tái)水泵組成：

母管壓力H≥0.8時(shí)，一臺(tái)定速，一臺(tái)變速，一臺(tái)備用。

母管壓力H≤0.64時(shí)，一臺(tái)定速或變速，二臺(tái)備用。

母管壓力H≤0.52時(shí)，一臺(tái)變速，二臺(tái)備用。

(2)電動(dòng)機(jī)參數(shù)：型號(hào)：JD-L-39-4

功率：75KW

額定頻率：50Hz

額定電壓：380VAC；

額定轉(zhuǎn)速：1470r/min

額定電流：126.6A

(3)水泵電機(jī)的起動(dòng)/停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。

(4)變頻器采用遠(yuǎn)方控制方式。

(5)通過母管壓力變送器測(cè)得實(shí)際壓力大小，同時(shí)和壓力給定組成閉環(huán)控制。

(6)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)指示（如運(yùn)行、停止、過流、低壓等）。

(7)變頻器的報(bào)警處理。

2.2恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

圖2.1系統(tǒng)主電路圖

由恒壓供水主電路圖可見，接觸器1KM2、2KM2、和3KM2用于變頻器輸出，分別接到水泵M1、M2和M3，而接觸器1KM3、2KM3和3KM3將工頻電源接到3臺(tái)水泵。變頻器可以對(duì)任何一臺(tái)水泵啟動(dòng)和恒壓供水控制。

空氣開關(guān)（QL）是當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)自動(dòng)將電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中斷開

熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。

圖2.2系統(tǒng)控制電路圖

2.3系統(tǒng)工作過程

1、減泵過程

當(dāng)用水量減少、水壓上升、變頻器輸出頻率低于下限值時(shí)，但管網(wǎng)壓力仍偏高時(shí)，則各泵將依次退出運(yùn)行，依次退出運(yùn)行的方式有兩種。

(1)先開先停方式。PLC接收到下限頻率到達(dá)信號(hào)，延時(shí)一定時(shí)間后，接觸器1KM2失電復(fù)位，水泵M1脫離工頻電源停止運(yùn)行。變頻器輸出頻率仍然低于下限值，重復(fù)上述過程，水泵M2脫離工頻電源停止運(yùn)行，變頻器驅(qū)動(dòng)水泵M3恒壓供水，水壓穩(wěn)定在設(shè)定值上。這種方式稱為循環(huán)方式，通常用于各臺(tái)水泵的容量都相等的供水系統(tǒng)中。其優(yōu)點(diǎn)是可以自動(dòng)的使各泵運(yùn)行的時(shí)間比較均衡；缺點(diǎn)是工頻運(yùn)行狀態(tài)直接停機(jī)時(shí)，可能由于停機(jī)太快而使管網(wǎng)壓力發(fā)生較大波動(dòng)。

(2)先開后停方式。首先使正在變頻運(yùn)行的M3減速停機(jī)，然后使變頻器的輸出頻率升至50Hz，將M2切換為變頻工作，依此類推這種方式通常用于各臺(tái)水泵的容量不相等的供水系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)是水泵的停機(jī)比較緩慢，管網(wǎng)壓力比較穩(wěn)定；缺點(diǎn)是不能自動(dòng)地循環(huán)變換。

2、加泵過程

首先由M1在變頻控制的情況下工作。

當(dāng)用水量增大、水壓下降，變頻器輸出頻率上升到50Hz時(shí)水壓仍然不足，經(jīng)過短暫的延時(shí)，將M1切換為工頻工作，同時(shí)變頻器的輸出頻率迅速降低為0，然后使M2投入變頻運(yùn)行。當(dāng)M2也達(dá)到額定頻率而水壓仍不足時(shí)，重復(fù)開始運(yùn)行時(shí)的過程，水泵M2脫離變頻器驅(qū)動(dòng)，由工頻供電全速運(yùn)行，變頻器驅(qū)動(dòng)水泵M3變頻運(yùn)行，使水壓恒定在設(shè)定值上。

3器件的選型及介紹

3.1變頻器簡(jiǎn)介

3.1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類

1、變頻器的基本結(jié)構(gòu)

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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)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。其中控制電路完成對(duì)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(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)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(guān)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(zhuǎn)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等。

3.1.2變頻器的控制方式

在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。

(1)V/f控制

V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

(2)轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。

(3)矢量控制

矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。

(4)直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測(cè)定子電阻來達(dá)到觀測(cè)定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能。

(5)最優(yōu)控制

最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對(duì)某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時(shí)間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實(shí)現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。

3.2變頻器選型

3.2.1變頻器的控制方式

控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國(guó)產(chǎn)的共約5O多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，其實(shí)只

要按負(fù)載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。下表中參數(shù)供選用時(shí)參考。

表3.1控制方式的比較

故選擇U/f=C控制

3.2.2變頻器容量的選擇

變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實(shí)際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補(bǔ)充。

1、從電流的角度：

大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。

選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過變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(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負(fù)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(tǒng)效率等于變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：（1）變頻器功率值與電動(dòng)機(jī)功率值相當(dāng)時(shí)最合適，以利變頻器在高的效率值下運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）在變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。

（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級(jí)的變頻器，以利用變頻器長(zhǎng)期、安全地運(yùn)行。

（4）經(jīng)測(cè)試，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確實(shí)有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器，但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì)造成過電流保護(hù)動(dòng)作。

（5）當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí)，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。

3、從計(jì)算功率的角度：

對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須同時(shí)滿足以下3個(gè)計(jì)算公式：

(1)滿足負(fù)載輸出：Pcn≥Pm／η(3.1)

(2)滿足電動(dòng)機(jī)容量：Pcn≥√3KUeIecosφ×10-3(3.2)

(3)滿足電動(dòng)機(jī)電流：Icn≥KIe(3.3)

式中Pcn為變頻器容量（單位kW），PM--負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率（單位kW），Ue為電動(dòng)機(jī)額定電壓（單位V），Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流（單位A），η為電動(dòng)機(jī)效率（通常約為0．85），cosφ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)（通常約為0．75），k是電流波形補(bǔ)償系數(shù)（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(yīng)有所增加，通常K約為1．05～1．1）。

將本系統(tǒng)參數(shù)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(jù)計(jì)算所得的所需參數(shù)可以選取西門子MicroMaster430（風(fēng)機(jī)水泵專業(yè)）變頻器，具體的可以選擇MM430-110K型號(hào)的變頻器，他配接電機(jī)的容量是110kw，額定電流為205A滿足使用需求，可以選擇。

3.2.3變頻器主電路外圍設(shè)備選擇

1、斷路器

當(dāng)變頻器需要檢修時(shí)，或者因某種原因而長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當(dāng)變頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時(shí)，進(jìn)行保護(hù)。

選擇原則

(1)變頻器在剛接電源的瞬間，對(duì)電容器的充電電流可達(dá)額定電流的（2-3）倍；

(2)變頻器的進(jìn)線電流是脈沖電流，其峰值常可能超過額定電流；

(3)變頻器允許的過載能力為150%，1min。

為了避免誤動(dòng)作，斷路器的額定電流QNI應(yīng)選：

NQNII)4.1~3.1(≥(3.4)

其中NI為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇210A

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以選擇斷路器DW15—400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(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)切斷電源。

(2)選擇原則：

由于接觸器自身并無保護(hù)功能，不存在誤動(dòng)作的問題，故選擇原則是主觸點(diǎn)的額定電流NKNII≥，應(yīng)該大于126.6A,可以選擇主觸點(diǎn)額定電流為130A的接觸器。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)施奈德的LC1—D150，滿足參數(shù)要求，可以選擇

3、主電路的線徑

(1)電源和變頻器之間的導(dǎo)線

一般說來，和同容量普通電動(dòng)機(jī)的電線選擇方法相同?？紤]到其輸入側(cè)的功率因數(shù)往往較低，應(yīng)本著宜大不宜小的原則來決定線徑。

(2)變頻器和電機(jī)之間的導(dǎo)線

因?yàn)轭l率下降時(shí)，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降U?在輸出電壓中

的比例將上升，而電動(dòng)機(jī)得到電壓的比例則下降。這有可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)帶不動(dòng)負(fù)載并發(fā)熱。所以，在決定變頻器和電動(dòng)機(jī)之間導(dǎo)線的線徑時(shí)，最關(guān)鍵的因素便是線路電壓降U?的影響。一般要求：

NUU)%3~2(≤?(3.5)

U?的計(jì)算公式是：

)(1000

30VlRIUMN=?(3.6)式中：NU——額定相電壓，V；

MNI——電動(dòng)機(jī)額定電流，A；

0R——單位長(zhǎng)度（每米）導(dǎo)線的電阻，mΩ/m；

l——導(dǎo)線的長(zhǎng)度，m。由上兩式可直接求出0R的取值圍。根據(jù)Ro值確定

導(dǎo)線面積。

由公式（3.5）得：6.7(≤?U～11.4）V

由公式（3.6）得：0.69mΩ/m≤≤0R1.04mΩ/m

根據(jù)表3.1判斷所需的導(dǎo)線截面積，為了滿足控制系統(tǒng)的要求，應(yīng)該選擇截面積為162mm的導(dǎo)線。

4、制動(dòng)電阻

準(zhǔn)確計(jì)算制動(dòng)電阻值十分麻煩，在實(shí)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(jì)算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動(dòng)電阻的規(guī)格。但按說明書上選擇電阻時(shí)須注意下面問題，變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動(dòng)電阻檔次，常常對(duì)若干種不同容量的電動(dòng)機(jī)提供相同阻值和容量的制動(dòng)電阻。選用時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)同一擋中電動(dòng)機(jī)容量較小者，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應(yīng)根據(jù)制動(dòng)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(dòng)電阻。對(duì)同一擋中電動(dòng)機(jī)容量較大者，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動(dòng)的場(chǎng)合，或者如起重機(jī)械那樣，需要釋放位能的場(chǎng)合，上述制動(dòng)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(dòng)電阻。

3.3可編程控制器(PLC)

3.3.1PLC的定義與特點(diǎn)

在PLC的發(fā)展過程中，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）經(jīng)過4年的調(diào)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（ProgrammableController），英文縮寫為PC，并作如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式電子裝置。它使用可編程序的存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)指令，并實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算功能，用來對(duì)各種機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。PLC的特點(diǎn)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(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC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(shí)間常數(shù)一般為10~20ms.

(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。

(4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。

(5)對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。

(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。

(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。

2、豐富的I/O接口模塊

PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕行程開關(guān)接近開關(guān)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(jī)對(duì)話的接口模塊;為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。

3、采用模塊化結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。

4、編程簡(jiǎn)單易學(xué)

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(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。

5、安裝簡(jiǎn)單，維修方便

PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。

3.3.2PLC的工作原理

PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個(gè)階段。全過程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行部處理和通信操作服務(wù)等容。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。

3.3.3PLC及壓力傳感器的選擇

水泵M1、M2、M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需要6個(gè)輸出點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求需要五個(gè)輸入點(diǎn)，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(duì)傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的力-電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號(hào)調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí)，敏感芯體硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號(hào)調(diào)理電路將輸出的電壓信號(hào)作放大處理，同時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。傳感器的量程為0～2.5MPa，工作溫度為5℃～60℃，輸出電壓為0～5V，作為本系統(tǒng)的反饋信號(hào)供給PLC。

4PLC編程及變頻器參數(shù)設(shè)置

4.1PLC的I/O接線圖

圖4.1PLC的I/0接線圖

輸出端接中間繼電器控制電機(jī)的工頻與變頻工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，輸入點(diǎn)I0.0控制系統(tǒng)電機(jī)的停止工作，I0.1控制系統(tǒng)電機(jī)工作及變頻器工作的開始。I0.2點(diǎn)用于在一號(hào)泵有故障時(shí)手動(dòng)啟用三號(hào)泵代替一號(hào)泵的工作。I0.4為當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到上限值時(shí)手動(dòng)閉合，使電動(dòng)機(jī)切換為工頻工作。

4.2PLC程序

啟動(dòng)變頻器工作

1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5NL1S7-200PLC

1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4ML+K1K2K3K4K5K6220VACSB1

SB2

SB3SB4

SD

PLC接收壓力變送器反饋的值，與設(shè)定值進(jìn)行以系列計(jì)算之后輸出一個(gè)值控制變頻器的輸出頻率，同時(shí)根據(jù)輸出AC0的值判斷電動(dòng)機(jī)工作的臺(tái)數(shù)與狀態(tài)。其中壓力變送器反饋值為0～5，部數(shù)據(jù)為0～32767，對(duì)應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后通過下面的程序進(jìn)行判斷，以控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

判斷反饋值為H≥0.8，則使一號(hào)水泵定速工作