【正文】 統(tǒng)具有工頻供水功能，使供水系統(tǒng)更加安全，更加可靠。 手動(dòng)操作功能 手動(dòng)操作由設(shè)置在控制柜上的啟動(dòng)、停止按鈕完成。 恒壓供水功能 變頻系統(tǒng)與工頻系統(tǒng)的切換功能 當(dāng)變頻 器出現(xiàn)故障時(shí)，能切換到工頻狀態(tài)運(yùn)行，保證系統(tǒng)供水的可靠性。水泵不要求定時(shí)循環(huán)運(yùn)行，但能夠手動(dòng)切換運(yùn)行。 ） 5 第二章 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì)方案 變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 的 理論基礎(chǔ) 三相異步 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動(dòng)機(jī)極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。那么負(fù)載不變時(shí)轉(zhuǎn)差功率正比于轉(zhuǎn)差率，改變轉(zhuǎn)差功率就可以改變轉(zhuǎn)差率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 改變頻率調(diào)速， 由 公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化 不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f 成正比。 ） 6 軟啟動(dòng)器 及其使用 傳統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)線路較簡單，不許外加啟動(dòng)裝置，但其啟動(dòng)電流沖擊較大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小且不可調(diào)節(jié)。 如圖 所示為軟啟動(dòng) 器 內(nèi)部原理 結(jié)構(gòu) 示意圖。最后軟啟動(dòng)器輸出全壓，電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行。 (1)斜坡升壓啟動(dòng)方式 ） 7 斜坡升壓啟動(dòng)特性曲線如圖 所示。這種啟動(dòng)方式主要用于 一 臺軟啟動(dòng)器并接多臺電機(jī)或電動(dòng)機(jī)功率遠(yuǎn)低于軟啟動(dòng)器額定值的應(yīng)用場合。這種啟動(dòng)方式引入電流反饋， 通過計(jì)算間接得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩，屬閉環(huán)控制方式。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的初始階段，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的限幅值后保持恒定，直至啟動(dòng)完畢。由于在啟動(dòng)過程中，控制目標(biāo)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，即電動(dòng)機(jī)的加速度，既使電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生波動(dòng)，通過控制電路自動(dòng)通過增大或減小啟動(dòng)器的輸出電壓，也可以維持轉(zhuǎn)矩設(shè)定值不變，保持啟動(dòng)的恒加速度。 圖 斜坡升壓啟動(dòng)方式 圖 轉(zhuǎn)矩控制及啟動(dòng)電流限制啟動(dòng)方式 ） 8 (3)電壓提升脈沖啟動(dòng)方式 電壓提升脈沖啟動(dòng)特性曲線如圖 所示。該啟動(dòng)方法適用于重載并需克服較大靜摩擦的啟動(dòng)場合。如高層建筑、樓宇的水泵系統(tǒng)，要求電動(dòng)機(jī)逐漸停機(jī)，采用軟啟動(dòng)器可滿足這一要求。減速時(shí)間 t1 一般是可設(shè)定的。 ） 9 圖 制動(dòng)停車方式 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的分析說明 水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)因其控制性能穩(wěn)定、可靠性能強(qiáng)，節(jié)能效果好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于高層建筑、安全消防、污水處理、工廠和電廠水泵房中。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正朝著強(qiáng)的可靠性、全能的數(shù)字化、高的集成度等方向發(fā)展。 (3)水泵 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有廣泛的通用性，然而面向種類繁多的供水系統(tǒng)，不同的供 水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面又存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性。在出現(xiàn)故障時(shí)， 執(zhí)行故障處理應(yīng)用，保證在緊急的情況下仍然可以供水。 (7)使用變壓變頻設(shè)備和軟啟動(dòng)裝置進(jìn)行調(diào)速，用變頻泵和工頻泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對設(shè)備的大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的沖擊，延長了設(shè)備的使 用壽命。根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制 另外兩臺或一臺泵的啟動(dòng)， 并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行 PID運(yùn)算， 運(yùn)算結(jié)果送 給變 壓變頻裝置 控制其輸出頻率，調(diào)節(jié) 水的 流量，使供水管網(wǎng) 的 壓力恒定。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是水泵房總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入 CPU 運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。其相應(yīng)的圖形見 圖 中 水提升 泵 系統(tǒng) 主回路接線圖 (一控三 )，圖 工業(yè)補(bǔ)給水泵系統(tǒng)主回路接線圖 (一控二 )。當(dāng)） 12 壓力檢測值低于壓力給定值時(shí)，變頻器的輸出繼電器閉合進(jìn)而控制接觸器 KM2 閉合，使得電動(dòng)機(jī) M2 工頻軟啟動(dòng) 開始，軟啟動(dòng)結(jié)束后接觸器 KM8 閉合且 KM4 斷開，使得電動(dòng)機(jī) M2 全 壓工頻運(yùn)行。第二臺工頻泵的起動(dòng)原理與第一臺工頻泵的啟動(dòng)原理相同。 具體為：接觸器 KM1 閉合時(shí)， KM3 斷開，電動(dòng)機(jī) M1 變頻運(yùn)行。第三臺大泵則完全手動(dòng)軟啟動(dòng)控制。 A A2， BB2， C C2 端子由軟啟動(dòng)器三相晶閘 管 兩端分別直接引出，當(dāng)相對應(yīng)端子短接時(shí)，等價(jià)于將軟啟動(dòng)器內(nèi)部可控硅晶閘管短接，但現(xiàn)在軟啟動(dòng)器內(nèi)部的電流檢測環(huán)節(jié)仍起作用，即此時(shí)軟啟動(dòng)器對電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能仍起作用。圖 所示控制線路為三線制控制方式接線。若 KAl設(shè)置為隔離繼電器，則當(dāng)軟啟動(dòng)器接收到啟動(dòng)信號時(shí)， KAl閉合；當(dāng)軟啟動(dòng) 器軟停車結(jié)束時(shí)，或軟啟動(dòng)器在自由停車模式下接收到停車信號時(shí)，或在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)， KAl斷開。此軟啟動(dòng)器接有進(jìn)線接觸器 KMl。若發(fā)生過載、過流，則切斷接觸器 KMl 電源，則軟啟動(dòng)器進(jìn)線電源切除。 由于帶有旁路接觸器， 該電路有如下優(yōu)點(diǎn)：在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可以避免軟啟動(dòng)器產(chǎn)生的諧波；軟啟動(dòng)器僅在啟動(dòng)和停車時(shí)工作，可以避免長期運(yùn)行使晶閘管發(fā)熱，延長了使用壽命。軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)、停止采用二線制控制方式，即將 RUN 和 STOP 端子連接到一起，通過一控制觸點(diǎn) KA5 與 PL 端子相連。在圖 控制電路中，閉合斷路器 QF2，軟啟動(dòng)器的進(jìn)線電源上電。同理，若對第二臺電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)；則按啟動(dòng)按鈕 SB2。 圖 一臺軟啟動(dòng)器對 2 臺電動(dòng)機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)、自由停車的控制電路圖 ） 17 第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 變頻 控制柜 的組成 變頻控制柜通常由供電母線、雙電源開關(guān)、斷路器、接觸器、開關(guān)電源、控制裝置（變頻器）、軟啟動(dòng)器、傳感器，以及低壓電器等組成。中水提升泵系統(tǒng)選擇變頻器的進(jìn)線電纜的截面積 的 銅芯聚氯乙烯絕緣電纜 227 IEC 01(BV)。 變頻器的安裝高度 變頻器建議安裝在柜體的上半部，好處是操作鍵盤的高度位置比較方便人操作或觀察；變頻器頂部空間由于熱量集中排出，也不適合安裝其他設(shè)備，所以從節(jié)省空間的 角度出發(fā)，這種安排比較合理。 系統(tǒng)的抗干擾措施 ： ） 18 1）其它設(shè)備的電源線和信號線應(yīng)盡量地遠(yuǎn)離變頻器的輸入輸出線 2）其它設(shè)備的電源線和信號線應(yīng)盡量不與變頻器的輸 入輸出線平行。 變頻器 變頻器的構(gòu)成 通常由變頻器主電路（ IGBT、 BJT、或 GTO 作逆變元件）給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。圖 所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 ② 平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。 ④ 制動(dòng)回路 異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。 ） 20 在圖 點(diǎn)劃線內(nèi)，僅以控制電路 A 部分構(gòu)成控制電路時(shí)，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。 ③ 驅(qū)動(dòng)電路 為驅(qū)動(dòng)主電路 器件的電路。 保護(hù)回路主要包括： ⑴ 逆變器保護(hù) 1）瞬時(shí)過電壓保護(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(shí)間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。采用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí)，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時(shí)超過容許值。但瞬時(shí)停電時(shí)間在 10ms 以上時(shí)，通常會(huì)使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆） 21 變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 6）冷卻風(fēng)機(jī)異常。動(dòng)作頻繁時(shí)可以考慮減輕電動(dòng)機(jī)負(fù)載、增加電動(dòng)機(jī)及逆變器容量等。急加速時(shí)，如果異步電動(dòng)機(jī)跟蹤遲緩，則過電流保護(hù)電路動(dòng)作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速）。減速時(shí)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(dòng)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。 （ 4） 長壽命設(shè)計(jì)，維護(hù)簡單，用起來更安心。除內(nèi)置的基本 RS485 通信方 式外，通過選用各種總線適配器，可連接 ProfibusDP、 Device— NET、 LonWorks，高效、快速地實(shí)現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。 本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）作為功率輸出器件。 控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng)自動(dòng)切換、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運(yùn)行方式等。 數(shù)字量輸入 6個(gè)，模擬量輸入 2個(gè)，模擬量輸出 2個(gè)，繼電器輸出 3個(gè)；具有 15個(gè)固定的頻率， 4個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率，可編程；采用 BiCo（二進(jìn)制互聯(lián)連接）技術(shù)，實(shí)現(xiàn) I/O端口自由連接；集成 RS485通訊接口，可選現(xiàn)場總線通訊的 PROFIBUS 模塊 保護(hù)功能：過電壓 /欠電壓保護(hù)；變頻器過熱保護(hù)；接地故障保護(hù)；短路保護(hù)；電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)， PTC/KTY 電動(dòng)機(jī)保護(hù)。各臺輔助水泵可以通過接觸器或電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器投入系統(tǒng)運(yùn)行。 變頻器的選型 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)選用 西門子 MM430系列變頻器， 具體型號選擇為： ） 23 140A， 75KW電機(jī) 變頻器選擇 ①電源電壓 3AC 400V 功率 90KW 調(diào)制脈沖頻率4KHZ 145A，輸入電壓范圍 3AC (380~480)V177。 變頻器的外部運(yùn)行操作 外部運(yùn)行操作就是利用變頻器外部端子上的接線來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率的方法。 DIP 開關(guān)的設(shè)定值如） 24 下 : OFF = 電壓輸入 (10 V) ON = 電流輸入 (20 mA) DIP 開關(guān)的安裝位置與模擬輸入的對應(yīng)關(guān)系如下 : 左面的 DIP 開關(guān) (DIP1)=模擬輸入 1，對應(yīng)的 DIP 開關(guān)設(shè)置為 OFF 右面的 DIP 開關(guān) (DIP2)=模擬輸入 2，對應(yīng)的 DIP 開關(guān)設(shè)置為 ON 模擬 I/O （ P0004 = 8）對應(yīng)的模擬輸入通道 1 和模擬輸入通道 2 的參 數(shù)表見表 表 模擬 I/O （ P0004 = 8）對應(yīng)的參數(shù)表 參數(shù)號 說明 設(shè)定值 功能 P0756[0] ADC 的類型 1 帶監(jiān)控的單極性電壓輸入 (0~+10V) P0757[0] 標(biāo)定 ADC 的 x1 值 [V] 0 電壓 0V 對應(yīng) 0Hz P0758[0] 標(biāo)定 ADC 的 y1 值 0 P0759[0] 標(biāo)定 ADC 的 x2 值 [V] 10 電壓 10V 對應(yīng) 50Hz P0760[0] 標(biāo)定 ADC 的 y2 值 100 P0761[0] ADC 死區(qū)的寬度 [V] 0 死區(qū)的寬度 P0756[1] ADC 的 類型 3 帶監(jiān)控的單極性電壓輸入 (0~20mA) 參數(shù)號 說明 設(shè)定值 功能 P0757[1] 標(biāo)定 ADC 的 x1 值 [mA] 4 電壓 4mA 對應(yīng) 0Hz P0758[1] 標(biāo)定 ADC 的 y1 值 0 P0759[1] 標(biāo)定 ADC 的 x2 值 [mA] 10 電壓 20mA 對應(yīng) 50Hz P0760[1] 標(biāo)定 ADC 的 y2 值 100 P0761[1] ADC 死區(qū)的寬度 [mA] 4 死區(qū)的寬度 PID 調(diào)節(jié)器 比例（ P）調(diào)節(jié)的特點(diǎn)： ① 調(diào)節(jié)動(dòng)作快，抗干擾能力強(qiáng)。 微分（ D）調(diào)節(jié)的特點(diǎn)： ① 具有快速超前作用，偏差剛一出現(xiàn)就開始動(dòng)作。 (即實(shí)時(shí)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(diào)節(jié) ) 圖 PID 控制框圖 采用 PID控制 可 獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制 效果 。 本設(shè)計(jì)選擇了施耐德 Altistart46型軟啟動(dòng)器。 其主要參數(shù)設(shè)置范圍如下。廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、電力、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 %/10℃ 供電電壓 24V﹝ 1236VDC﹞ 外殼介質(zhì) 316 不銹鋼 根據(jù)要求選擇型號為 EVT100ABAV10M101, 從左至右依次注釋為 EVT100A：系列號， B：輸出 4~20mA， A：工作方式為絕壓， V10：壓力范圍為 0~10bar（ 1bar=），M1：壓力端口為 M10*1的外螺紋， 01：表示格蘭直接引線。 裝置式低壓斷路器 主要型號 DZ5和 DZ15， DZ20系列，用于配電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和電動(dòng)機(jī)照明電路及電熱器等控制。 37KW選擇 DZ 20Y225極數(shù)為 3P高： 257mm，寬： 109mm，深： 142mm中的斷路器額定電流為 180A的。 ⑵輸出側(cè)接觸器的選擇：主觸頭的額定電流 IKN大于或等于電動(dòng)機(jī)的額定電流 INM。 根據(jù) 熱繼電器的額定電流 來選擇其型號為 RD J 2□ /□ ， 注釋為 RD代表企業(yè)特征代號， J代表熱過載繼電器， 2代表設(shè)計(jì)序號， 第一個(gè) □ 代表額定工作電流，第二個(gè) □ 代表安裝方式代號。 具體發(fā)熱