【正文】 rises of automation techniques success experience, analyze running property curves of pipe s and water pumps, principle of variable frequency speed regulation of water supply system is dwelt on firstly. Then, this dissertation analyzes theory of VF constant pressure water supply and construction of the system and proposes several different control schemes. Constant pressure water supply control system of variable frequency speed regulation is posed of PLC, transducer, sets of pump motors, pressure sensors, industrial control puter and control housing, etc. This system uses one transducer to propel four motors, acplishing their starting, running and speed regulation. The two higher motors and lower ones are running respectively in an alternate mode. As for highpower motors, converting current tends to be so heavy in the course of transformation from variable frequency to work frequency that fusible cutouts are prone to be burnt out. In terms of these problems of highpower motors in course of transformation from variable frequency to work frequency, further studies areperformed theoretically. According to analyses of equivalent circuit and vector graph of the induction motor, it is the phases of work frequency power and variable frequency output power, in the instantaneous occasion of transformation from variable frequency to work frequency, that determine whether the transformation from variable frequency to work frequency can be acplished or not. Integrating with phaseandfrequency detector, as phase of work frequency power is in accordance with that of variable frequency output power, PLC sends instructions and cuts off output of the transducer. When the motor is cut off from output interface of the transducer, it is connected to work frequency power immediately. Thus damages to the motor devices and electric s are reduced greatly. The research conclusions have great significance in directing railway stations to active vocational trainings. Key words： railway, VF speed, constant pressure water supply, variable frequency to working frequency. 2 目錄 第一章 緒論 …………………………………………………………………… 1 寫作背景 ………………………………………………………… .......1 課題來源與研究意義 ……………………………………………… .1 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) …………………………………… .2 本文主要研究?jī)?nèi)容 ……………………………… ………………… .3 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)分析 ……………………………………………… 4 供水系統(tǒng)的基本特性和方法 ……………………………………… ..4 常用調(diào)速方法及變頻調(diào)速原理 …………………………………… 6 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理 ………………………………… .…… ..10 變頻恒壓供水的特點(diǎn)分析 ………………………………… .…… ..11 小結(jié) ………………………………………………………… .…… ..13 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)研究 …………………………… .…… 13 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) ……………………………………………… .… ..13 恒壓控制原理 .………………………………………………… .… 13 系統(tǒng)變頻恒壓控制的方案及選擇 .…………………………… .… 14 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成 ……………………………………… 15 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成分析 …………………………………… 21 控制系統(tǒng)硬件研制 ……………………………………………… ...24 主電路設(shè)計(jì) ……………………………………………………… ..24 控制電路設(shè)計(jì) …………………………………………………… ..25 PLC 的 I/O 分配及程序設(shè)計(jì) ……………………………………… 26 小結(jié) ……………………………………………………………… ...30 第四章 恒壓供水變頻 — 工頻切換問題研究 ……………………………… 32 變頻與工頻切換有理論分析 …………………………………… ..32 三相異步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和等效電路 ………………………… 32 電壓方程 ………………………………………………………… .32 T 形等效電路和相量圖 ………………………………………… ...33 變頻與工頻切換問題研究 ……………………………………… .....36 小結(jié) ………………………………………………………………… .42 第五章 結(jié)論 ……………………………………………………………… .… 42 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………… .44 致謝 ………………………………………………………………………… ...45 3 第一章 緒 論 寫作背景 自 2021 年全國(guó)鐵路大范圍 的改革、轉(zhuǎn)換經(jīng)營(yíng)機(jī)制以來，鐵路系統(tǒng)經(jīng)過了主輔分離、站段整合等一系列改革，迅速打破了以往的傳統(tǒng)思維和管理模式，基層單位向著做大做強(qiáng)的目標(biāo)邁出了第一步。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體，可以顯著提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，也有利于實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載的數(shù)量，也不具有數(shù)據(jù)通信功能，只適用于小容量、控制要求不高的供水場(chǎng)所 。要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要的壓力。 （ 5） 變頻調(diào)速供水方式 其工作原理是 ： 通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出來無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。相比之下，變頻恒壓供水能在系統(tǒng)用水量下降時(shí)無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流小，啟動(dòng)能耗也比較小。 圖 21 改變定了繞組極對(duì)數(shù)方法 如果使 p =1, 2. 3 等，就可以得到 0n =3000、 1500、 1000 r /min 等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。 11 （ 3） 可控硅串級(jí)調(diào)速 它是把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電勢(shì)經(jīng)過整流一逆變后回饋給電網(wǎng)，回收功率就是轉(zhuǎn)差功率，見圖 23。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制，其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速 。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。變頻恒壓控制的原理如圖 31。因此，該系統(tǒng)適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 21 圖 34 變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)循環(huán)方式的動(dòng)作流 程圖 （ Ⅱ ） 變頻固定式 ： 變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵 ： 若當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在 50Hz 時(shí)，其供水量仍然不能達(dá)到用水要求，控制系統(tǒng)就直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器并不做切換。 PLC 上接工控計(jì)算機(jī)。此外，在選擇觸摸屏?xí)r，還要考慮它與 PLC 通訊情況，建議 PLC 和觸摸屏使用同一個(gè)廠家的。兩個(gè)電流表一個(gè)安裝在控制柜上，另一個(gè)安裝在控制臺(tái)上，可以方便地觀察電機(jī)的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)?？刂齐娐返慕M間互鎖是通過輸入按鈕控制 PLC 的輸入端口 來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)選擇一組機(jī)組運(yùn)行時(shí)，按下另一組起動(dòng)按鈕視為無效操作。該模塊有 8 個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 。 （ 1） 系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)模擬量 （ 管網(wǎng)壓力、電機(jī)頻率 ） 數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值。 （ 5） 閥門開啟關(guān)閉程序 閥門開啟關(guān)閉程序既包含水泵機(jī)組起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的閥門開啟與關(guān)閉，也包含 32 水泵機(jī)組在自動(dòng)切換過程中的閥門開啟與關(guān)閉。本章的重點(diǎn)內(nèi)容 包括變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的組成和方案，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和 PLC 程序設(shè)計(jì)。由于這些水泵機(jī)組功率很大，自禍降壓起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，對(duì)電機(jī)壽命的影響和電網(wǎng)沖擊都不容忽視。 （ 4） 程序編制采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7 MOCRO/WIN32 編程軟件進(jìn)行開發(fā)。自由數(shù)據(jù)通信子程序設(shè)計(jì)就是要求 把當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、管網(wǎng)壓力、電機(jī)頻率一起傳輸給自由通信口。在水泵電機(jī)換機(jī)程序設(shè)計(jì)中，必須認(rèn)真考慮這三個(gè)切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個(gè)工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常切換與運(yùn)行 。功能塊圖的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。 （ 3） PLC 的模擬量輸入、輸出 PLC 的模擬輸入端口包括壓力傳感器檢測(cè)的管網(wǎng)壓力信號(hào)，是以標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào) 4~20mA 進(jìn)行傳輸?shù)?： 變頻器反饋的電機(jī)頻率信號(hào)為 0~10V 的電壓信號(hào)?？刂齐娐分g存在互鎖關(guān)系，包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。 控制系統(tǒng)硬件研制 主電路設(shè)計(jì) 在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用一臺(tái)變頻器連接 4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其中 1, 3水泵電機(jī)是小機(jī)，具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，兩臺(tái)電機(jī)都通過兩個(gè)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián) ： 2, 4水泵電機(jī)是大機(jī)，只有變頻工作狀 態(tài)，每臺(tái)電機(jī)只通過一個(gè)接觸器與變頻輸出電源連接。由于在本文研究設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)中，控制輸出的數(shù)字量沒有經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換，而是直接將數(shù)字量通過通訊方式傳送給變頻器，因此在選擇變頻器時(shí)，首先要選擇與電機(jī)額定功率、額定電流相匹配的通用變頻器，同時(shí)還要考慮變頻器的通訊功能。 24 圖 37 恒壓供水系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)硬件有 ： （ 1） PLC 及擴(kuò)展模塊 ： （ 2） 變頻器、水泵機(jī)組 ： （ 3） 觸摸屏 ： （ 4） 軟啟動(dòng)器或自禍變壓器 ： （ 5）壓力傳感器、壓力變送器、電極點(diǎn)壓力表； （ 6） PLC 用隔離變壓器、低壓電器以及控制柜。變頻器 跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 （ Ⅲ ） 以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的 17 變頻恒壓供水中。最后總結(jié)了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的主