【文章內(nèi)容簡介】 析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點 [3]。 長沙學院 畢業(yè)設計 5 根據(jù)公式可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速 n基本上與電源頻率 f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(diào)速的廣泛應用。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務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 軟起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)進行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設計任務要求，有以下幾種方案可供選擇： （ 1） 有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴 展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。 （ 2） 通用變頻器 +單片機 (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種控制的方式精度比較高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠運行。該系統(tǒng)適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。 （ 3） 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類 不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。 通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控 制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定 長沙學院 畢業(yè)設計 6 性及控制精度的要求。 恒壓供水系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 恒壓供水泵站一般需設多臺水泵電機，這比設單臺水泵及電機節(jié)能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費的。電機選小了用水量大時供水會不足。而且水泵與電機都有維修的時候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機供電。這也有兩種配置方案，一是為每 臺水泵電機配一臺變頻器，這當然方便，電機與變頻器間不須切換，調(diào)試較簡單，但購買變頻器的費用較高，不能很好有效地利用變頻器的調(diào)節(jié)功能，一旦變頻器有故障，就會使供水系統(tǒng)癱瘓，節(jié)電能力一般。另一種方案是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行。其余水泵工頻運行，以滿足不同用水量的需求，變頻 — 工頻雙主回路驅(qū)動變頻器閉環(huán)調(diào)壓方式調(diào)節(jié)功能好，節(jié)電效果好且避免因變頻器故障而造成供水系統(tǒng)癱瘓的缺點 [4]。 圖 。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設在泵站的 出水口。當用水量大時，水壓降低，用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將 水壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱?信號 送給調(diào)節(jié)器。 系統(tǒng)以變頻器、 PLC作為系統(tǒng)控制的核心部件，以設定壓力為控制目標，以 PID為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設定值的偏差變化情況，經(jīng)變頻器內(nèi)部進行 PID運算，由 PLC控制變頻與工頻切換，自動控制水泵電機投入臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水。 圖 恒壓供水系統(tǒng)示意圖 調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，在系統(tǒng)中完成以下幾種功能： (1)設定水管壓力的給定值。恒壓 供水水壓的高低依需要設定。供水距離越遠，用P L C 送水 消防 生活 變頻器 工頻 /變頻切換電路 1 號泵 2 號泵 3 號泵 壓力罐 壓力傳感器 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 長沙學院 畢業(yè)設計 7 水地點越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時的恒壓值。另外有些供水系統(tǒng)可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站，水壓的設定值可能不止一個，一般消防用水的水壓要高一些。 大部分調(diào)節(jié)器用數(shù)字 量進行設定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設定。 (2)接收傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實測值。 管網(wǎng)實測水壓回送到泵站控制裝置成為反 饋，調(diào)節(jié)器是反饋的接收點。 (3)根據(jù) 給 定值與實測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)器接收了水壓的實測反饋信號后，將它與 給 定值比較，得到給定值與 實測 值之差。如給定值 大于 實際 值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉(zhuǎn)速．如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉(zhuǎn)速。這些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號控制。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器工作中還有個調(diào)節(jié)規(guī)律問題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例 積分 微分調(diào)節(jié)，俗稱 PID調(diào)節(jié)器。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 從圖中可看 出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為： (1)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(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；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。 (2)信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶 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 A/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；水池水位信號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。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號 [6]。 (3)控制機構(gòu)：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) )、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器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 長沙學院 畢業(yè)設計 8 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) (即水泵機組 )進行控制；變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖 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)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是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)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇，本設計中采用前者。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全 、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失 [7]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設定的供水 壓力上。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 ： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4— 20mA 的電信號 ，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行 PID 運算，再將運算后的數(shù)字信號通過 D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制水泵的供水流量，最終 使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn) 長沙學院 畢業(yè)設計 9 變頻恒壓供水。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下 : (l)系統(tǒng)通電，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變頻泵 M1 工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設定值，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 Ml 工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 (2)當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所 以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。 (3)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定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在 PLC 的控制下自動投入水泵 M2(變速運行 )，同時變頻泵 M1 做工頻運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另外一臺工頻泵 M3 投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。 (4)當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵 M2 關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另外一臺臺工頻泵 M3關掉 [7]。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設定壓力，此 時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的 [8]。 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上 阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下 長沙學院 畢業(yè)設計 10 降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在 20HZ 左右。所以選擇 50HZ 和20HZ作為水泵機組切換的上下限頻率。 當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。若出現(xiàn) fs pp?時就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行 ，供水壓力一下就超過了設定壓力。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機