【文章內(nèi)容簡介】 11圖 PHH ’H*0QAQBQCA’A BCn2n1nNQ 變頻恒壓控制工況點調(diào)節(jié)因此采用閉環(huán)恒壓控制，對于變頻調(diào)速恒壓控制，工況點如圖 所示，理想運行特性曲線為直線 H*ABC。 三相異步電動機的調(diào)速 異步電動機調(diào)速原理變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機的轉(zhuǎn)速，通過異步電動機驅(qū)動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標。因此，供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。三相異步電動機的調(diào)速是指在電動機負載不變的條件下，通過控制改變電機轉(zhuǎn)速，達到用戶要求。這種調(diào)速方式，可以大大簡化系統(tǒng)中的變速機構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能價格比。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為: （22）106fn=p其中 n0是異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，f 1是異步電動機的電源頻率，p 為異步電動機的極對數(shù)。異步電動機的轉(zhuǎn)差率為： （23）0nS=?其中 n 為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。廣東石油化工學院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計12根據(jù)公式 ()和公式 ()，得三相異步電動機的轉(zhuǎn)速為 : （24）160fn=Sp（ ） 調(diào)速方法由公式 ()可知，異步電動機可以通過改變電源頻率、磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)調(diào)速。(l) 變極調(diào)速改變定子極對數(shù)，可使異步電動機的同步轉(zhuǎn)速 改變，從而得到轉(zhuǎn)106fn=p速的調(diào)節(jié)。改變電機的極對數(shù)調(diào)速相當困難，這會使電機結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，而且不能實現(xiàn)無級調(diào)速。(2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速即轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速、改變定子電壓調(diào)速、滑差電機等。這些方法的共同特點是:在調(diào)速過程中均產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，消耗在轉(zhuǎn)子電路，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，調(diào)速的經(jīng)濟性較差，會使效率降低，而且調(diào)速范圍也受到限制。(3)變頻調(diào)速當極對數(shù) p 不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電動機的電源頻率 f1 成正比。因此，通過連續(xù)調(diào)節(jié)異步電動機供電頻率，就可以平滑的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點。實現(xiàn)這種調(diào)速的設(shè)備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 26 所示。整流電路 中間電路逆變電路控制電路M3 ~外部接線端子控制面板交流電源RST圖 26 交流變頻調(diào)速器的基本原理下面簡單介紹一下變頻器的工作原理:變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經(jīng)過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 13變電路反饋到工頻電源的諧波電流。逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀 T 等大功率開關(guān)器件及其驅(qū)動、保護電路構(gòu)成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的?？刂齐娐肥亲冾l器的控制中心，它可以根據(jù)外部接線端子、操作面板或者由上位機來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個頻率和電壓可變的交流電壓。一般在控制電路中還集成了其它功能，如 PID 調(diào)節(jié)器等。操作面板是變頻器人機對話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運行狀態(tài)，或者修改變頻器的運行參數(shù)。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。 本章小結(jié)本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。根據(jù)揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式節(jié)能效果顯著。通過對電機的幾種調(diào)速方式的分析比較，采用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，能夠提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗。廣東石油化工學院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計14第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 變頻恒壓控制原理恒壓供水控制原理圖如 31 所示：圖31 閉環(huán)恒壓供水原理圖用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低。 用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。如圖 所示，變頻器是電機變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變 f 就可實現(xiàn) n 的變化，從而達到無級調(diào)速的目的。測量元件用壓力變送器，U *為恒定壓力供水設(shè)定值。供水壓力 P 作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在運行中，當用水量增大的時候，水管道內(nèi)壓力值變低，反饋值 Uf 變小，即 U*大于 Uf 時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進行調(diào)速，使電機的轉(zhuǎn)速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力 P 與設(shè)定壓力 U*對應(yīng)的期望壓力值相等。當用水量減少時，水管道內(nèi)壓力值 p 變大，反饋值 Uf 變大，即 U*小于 Uf 時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進行調(diào)速，使電機的轉(zhuǎn)速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力 P 與期望壓力設(shè)定值 U*相等?？傊?，根據(jù)反饋控制原理，最終達到的平衡狀態(tài)使實際供水壓力和設(shè)定期望壓力相等。 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計從恒壓供水的原理分析可知，系統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送PID電 機 水 泵反 饋 電 壓+Uf P變 頻 器U* 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 15器、恒壓控制單元及低壓電器等。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸。由于 PLC+變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便，便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。同時由于 PLC的抗干擾能力強、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本文采用 PLC與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，自動補償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水。為了提高系統(tǒng)的控制靈活性和方便性，本系統(tǒng)在變頻器+PLC 控制的基礎(chǔ)上增加上位監(jiān)控計算機。采用 PLC，由于其本身抗干擾能力強，系統(tǒng)可靠性高，且由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規(guī)格不同的控制系統(tǒng)。由于 PLC 和上位機具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進行通信和數(shù)據(jù)交換。當控制要求改變時，利用編程軟件很容易進行程序的修改和下載。由于有良好的人機界面，使得操作更加簡單，系統(tǒng)運行狀態(tài)更直觀。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PLC+ 上位監(jiān)控計算機”的模式 [13]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方框圖和組成原理框圖供水控制器（ P L C ）變頻器電控設(shè)備液位傳感器1 號泵2 號泵3 號泵輔助泵壓力傳感器清水池圖 32 系統(tǒng)控制方框圖廣東石油化工學院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計16圖 33 系統(tǒng)組成電氣原理圖從上面的原理圖和框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由泵組、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面等部分組成。水泵組水泵組用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的 4 個水泵分為三種類型。(1)調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。當水泵采用循環(huán)的控制方式時，一、二、三號泵既可以做調(diào)速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式時，一、二、三號泵中有且只有一臺可以調(diào)速泵，其余兩臺為恒速泵或停止狀態(tài)。(3)輔助小泵:它只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網(wǎng)用水量進行少量的補充。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個原因 :]19[(1)用幾個小功率的水泵代替一臺大功率的水泵，使水泵選型容易，同時這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)。(2)供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可。(3)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)運行可靠性。RST變 頻 器UVW一 號 泵 二 號 泵 三 號 泵 輔 助 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 17(4)輔助泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時( 如:夜間 )可以停止所有的主泵，用小泵進行補水，降低系統(tǒng)的運行噪音。(5)在用水量不太大時，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運行，這樣可以提高水泵的運行壽命，同時降低系統(tǒng)的功耗，達到節(jié)能的目的。信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號:(1)水壓信號:它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行戶以 D 轉(zhuǎn)換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測。檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入。(2)液位信號:它反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器。(3)報警信號:它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC 系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。(1)供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵 )進行控制。(2)變頻器:它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。(3)電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/ 自動切換及就地/ 集中等工作。人機界面人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系廣東石油化工學院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計18統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示，對報警進行顯示。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測到的輸入信號的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過孿頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制實現(xiàn)恒壓供水目的。其需要完成的控制流程如圖 。開始啟動運行滿足小水泵運行條件實際壓力 = 設(shè)定壓力 ？實際壓力 設(shè)定壓力 ？執(zhí)行降壓控制停泵和報警輸出執(zhí)行輔助控制執(zhí)行升壓控制N oY e sY e sN oY e s N oN o Y e s壓力設(shè)定報警信號有效Y e sN o圖 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖現(xiàn)將流程圖說明如下:系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動水泵一號泵(可以是二號泵，也可以是三號泵 ，這里以一號泵為例) ，通過恒 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 19壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制一號泵的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間一號泵工作在調(diào)速運行狀態(tài)。當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值，反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，在變頻固定式的控制方式下，系統(tǒng)將變頻器的輸出的頻率降為下限頻率的同時開啟一臺恒速水泵。在