【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)還可 能損壞閥門(mén)和固定件。而采用變頻調(diào)速，對(duì)系統(tǒng)的安全性有一系列的好處： 1)產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是：水泵在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過(guò)減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)消除水錘效應(yīng)，減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長(zhǎng)。 3)變頻調(diào)速的軟啟動(dòng)器避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命。 4)減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng) 對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本文主要通過(guò)對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶對(duì)供水系統(tǒng)的要求，確定以 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和 PLC作為主要控制設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。具體而言，論文包括以下內(nèi)容： 1)論文在對(duì)課題進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法； 2)分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理 ，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學(xué)模型；確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。 3)論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。從用戶的需求入手確定合適的設(shè)備選型；詳細(xì)分析全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式水泵運(yùn)行的各種工況及其轉(zhuǎn)換過(guò)程，討論 PLC的程序設(shè)計(jì)方法及程序執(zhí)行特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設(shè)計(jì)方案；在介紹 PID調(diào)節(jié)原理的基礎(chǔ)上，分析利用 PID調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)恒壓供水的調(diào)節(jié)過(guò)程，給出 PID參數(shù)設(shè)置方 法；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。 4)通過(guò)計(jì)算機(jī)和 PLC的通信，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn) 程監(jiān)控是本論文的一個(gè)特色之處。論文介紹了計(jì)算機(jī)和 PLC通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法。 定義 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。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(lái)說(shuō)，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 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁(yè) 主要結(jié)構(gòu) ，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓。 ，有以下三種作用： ，供逆變器使用。 。 。 ，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。 ，它將信號(hào)傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接收來(lái)自這些部分的信號(hào)。其主要 組成部分是：輸出驅(qū)動(dòng)電路、操作控制電路。主要功能是： 信號(hào)來(lái)開(kāi)關(guān)逆變器的半導(dǎo)體器件。 。 的工作狀態(tài)，提供保護(hù)功能 變頻器外圍設(shè)備的種類與用途 ① —電源變壓器 T ② —電源側(cè)斷路器 QF ③ —電磁接觸器 1KM ④ —無(wú)線電噪聲濾波器 FIL ⑤ —電源側(cè)交流電抗器 1ACL、 2ACL ⑥ —制動(dòng)電阻 R ⑦ —電動(dòng)機(jī)側(cè)電磁接觸器 2KM ⑧ — I 頻電網(wǎng)切換用接觸器 3KM ⑤ ? —電動(dòng)機(jī)側(cè)交流電抗 器 2ACL 變頻器的外圍設(shè)備及其選擇 （ 1）電源變壓器 T 電源變壓器用于將高壓電源變換到通用變頻器所需的電壓等級(jí)，考慮到變頻器的輸入電流有一定量的高次諧波，使電源側(cè)的功率因數(shù)降低，加上變頻器運(yùn)行效率的影響，變壓器的容量按如下式考慮 頻器的輸變出功率 變壓器的容量（ KVA） = 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁(yè) 變頻器輸入功率因數(shù) X 變頻器效率 其中變頻器的功率因數(shù)在有輸入交流電抗器 1ACL 時(shí)取 ~,無(wú)輸 入電抗器 1ACL 時(shí)則取 ~。變頻器效率可取 ，變頻器輸出功率應(yīng) 為所接電動(dòng)機(jī)的總功率。 變頻器生產(chǎn)廠家所推薦的變壓器容量的參考值，常取變頻器容 量的 130%左右。 （ 2）電源側(cè)斷路器 QF 用于電源回路的開(kāi)閉，并且在出現(xiàn)過(guò)流或短路 事故時(shí)自動(dòng)切斷電源，以防事故擴(kuò)大。如果需要進(jìn)行接地保護(hù)，也可以 采用漏電保護(hù)式斷路器。使用變頻器無(wú)例外地都應(yīng)采用 QF。 （ 3）電磁接觸器 1KM 用于電源的開(kāi)閉，在變頻器保護(hù)功能起作用 時(shí)，切斷電源。對(duì)于電網(wǎng)停電后的復(fù)電，可以防止自 動(dòng)再投入以保護(hù) 設(shè)備的安全及人身安全。 （ 4）無(wú)線電噪聲濾波器 FIL 用于限制變頻器因高次諧波對(duì)外界的干 擾，可酌情選用。 （ 5）交流電抗器 1ACL 和 2ACL 1ACL 用于抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電 流，改善功率因數(shù)。選用與否視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況 及電網(wǎng)電壓允許的畸變程度而定。 2ACL 用于改善變頻器輸出電流的波 形，減低電動(dòng)機(jī)的噪聲。 （ 6）制動(dòng)電阻單元 R 用于吸收電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)的再生電能?？梢钥s 短大慣量負(fù)載的自由停車時(shí)間。還可以在位能負(fù)載下放時(shí)，實(shí)現(xiàn)再生 運(yùn)行。 （ 7）電磁接觸器 2KM 和 3KM 用于變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換運(yùn)行。在這種方式下 2KM 是必不可少的，它和 3KM 之間的聯(lián)鎖可以防止變頻器的輸出端接到工頻電網(wǎng)上。一旦出現(xiàn)變頻器輸出端誤接到工頻電網(wǎng)的情況，將損壞變頻器。如果不需要變頻器 —工頻電網(wǎng)的切換功能，可以不要 2KM。 制動(dòng)電阻的計(jì)算 在異步電動(dòng)機(jī)因設(shè)定頻率下降而減速時(shí)，如果軸轉(zhuǎn)速高于由頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速， 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁(yè) 則異步電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中所存儲(chǔ)的動(dòng)能經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)，中間直流回路的濾波電容器的電壓會(huì)因吸收這部分回饋能量而提高。如果回饋能量較 大，則有可能使變頻器的過(guò)壓保護(hù)功能動(dòng)作。利用制動(dòng)電阻可耗散這部分能量，使電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)能力提高。 制動(dòng)電阻的選擇，可按如下步驟進(jìn)行： （ 1）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TB 可由下式算出： (GD2M+GD2L)(n1― n2) TB= TL (N?m) 375ts 式中 GD2M— 電動(dòng)機(jī)的 GD2(N?m178。) GD2L—負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的 GD2 TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩 (N?m) n1— 減速開(kāi)始速度（ r/min） N2—減速完了速度（ r/min） ts —減速時(shí)間（ s） （ 2）制動(dòng)電阻阻值的計(jì)算 在附加制動(dòng)電阻進(jìn)行制動(dòng)的情況下，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的有功損耗部分， 折合成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大約為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的 20%。考慮到這一點(diǎn)，可用 下式來(lái)計(jì)算 U2C RBO = (TB )n1 UC—直流回路電壓（ V） TB—制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 (N?m) TM—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 N1—開(kāi)始減速時(shí)的速度 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁(yè) 如果系統(tǒng)所需制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TB TM,時(shí)，系統(tǒng)就有需要另外的制動(dòng)電阻，僅電 動(dòng)機(jī)內(nèi)部的有功損耗的作用，就可使中間直流回路電壓限制在過(guò)壓保護(hù)的動(dòng) 作水平以下 （ 3）制動(dòng)時(shí)平均消耗功率的計(jì)算 如前所述，制動(dòng)中電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗的功率相當(dāng)于 20%額定值的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此制動(dòng)電阻器上消耗的平均功率 Pro（ KW）可以求出： N1+n2 Pro=() X 103 (KW) 2 變頻器硬件設(shè)計(jì) 變頻器選用日本安川變頻器 CIMRP5A 45P5產(chǎn)品 , 適配電機(jī) 5. 5 kW , 該變頻器基本配置中帶有 P ID 功能 . 通過(guò)變頻器面板設(shè)定一個(gè)給定頻率作為壓力給 定 值 , 壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號(hào) (0～ 10 V ) 接至變頻器的輔助輸入端 FI、 FC, 作為壓力反饋 , 變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測(cè)壓力 , 調(diào)節(jié)輸出頻率 , 改變水泵轉(zhuǎn)速 , 控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上 [ 1 ]. 如圖 3所示 . M M2為變頻器的極限輸出頻率的檢測(cè)輸出信號(hào)端 , 該信號(hào)進(jìn) PLC, 作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一 , 變頻器的極限輸出頻率通過(guò)面板可以設(shè)定 .MA、 MC 為變頻器發(fā)生故障的輸出信號(hào) , 該兩端連接信號(hào)燈 , 以顯示變頻器故障 , 變頻器面板上有故障復(fù)位按鍵 , 輕故障用復(fù)位按鍵復(fù)位 , 可重新啟動(dòng)變頻器 . S1和 S3短接 , 并與 Sc 連接到 PLC 的輸出點(diǎn)上 , 由 PLC 控制變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷 。U、 V、 W輸出端并聯(lián)兩個(gè)接觸器分別接 P P2泵電機(jī) , 變頻器可分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)泵 , P P2泵電機(jī)還通過(guò)另外兩個(gè)接觸器并聯(lián)到工頻電源上 , 這四個(gè)接觸器線包連接到 PLC 的四個(gè)輸出點(diǎn)上 , 由 PLC 控制其工頻、變頻切換工作 . 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 11 頁(yè) 變頻器的應(yīng)用 水泵在運(yùn)行中普遍存在以下三個(gè)問(wèn)題 ： 單機(jī)效率低 ， 系統(tǒng)運(yùn)行效率低 ， 多數(shù)風(fēng)機(jī)、水泵都要靠閥門(mén)來(lái)節(jié)流、增壓，浪費(fèi)大量的電能另外，在節(jié)能調(diào)節(jié)方式中，電動(dòng)機(jī)、水泵等長(zhǎng)期處于高速、大負(fù)載下運(yùn)行，造成維護(hù)工作量大，設(shè)備壽命低，并且運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲大，污染環(huán)境。 出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高 的要求，加之采用變頻調(diào)速器易操作、免維修、控制精度高，并且可以實(shí)現(xiàn)高功能優(yōu)化等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案逐步取代風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)的控制方案。通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速 n 與流量 Q ，壓力 H 以及軸功率 P 具有如下關(guān)系： ,Qn? 2,Hn? 3,Pn? 即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。 以一臺(tái)水泵為例，它的出口壓頭為 0H (出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差 )。額定轉(zhuǎn)速 0n ，閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的管阻特性為 0r ，額定工況下與之對(duì)應(yīng)的壓力 為 1H ，出口流量為 1Q 。流量 —— 轉(zhuǎn)速 —— 壓力關(guān)系曲線如圖 所示。在現(xiàn)場(chǎng)控制中，要求管網(wǎng)壓力不得低于 3H ，在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水流量。通常采用水泵定速運(yùn)行，調(diào)節(jié)出口閥門(mén)開(kāi)度控制流量。當(dāng)流量從 1Q 減小到 50%至 2Q 時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度減小使管網(wǎng)阻力特性由 0r 變?yōu)?r ，系統(tǒng)工作點(diǎn)沿方向 ? 由原來(lái)的 A 點(diǎn)移至 B 點(diǎn)，受其節(jié)流作用使得泵口壓力由 1H 變?yōu)镸1M2MAMC R S T S1 S2 F1 Fc U V W VVVF 去 PLC 接傳感器 去 PLC 接指示燈 ~380V P1 P2 電機(jī) 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁(yè) 2H ，管網(wǎng)壓力則因?yàn)楣?jié)能原因降至 3H 。 工藝流程簡(jiǎn)介 系統(tǒng)投入時(shí)，用 3 臺(tái)泵供水。假設(shè)首先用 1 號(hào)泵供水，開(kāi)始用變頻運(yùn)行。如果 供水管網(wǎng)欠壓，其轉(zhuǎn)速由零逐步增加，管網(wǎng)水壓升高。若用水量大，則管網(wǎng)水壓達(dá)不到設(shè)定值，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，將 1 號(hào)泵由變頻運(yùn)行切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)泵 2 變頻，通過(guò)壓力傳感器的壓力信號(hào)反饋控制轉(zhuǎn)速，使得轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)跟隨供水壓力的變化。如果管網(wǎng)水壓仍低于設(shè)定值，先延時(shí)切除泵 2 的變頻運(yùn)行，將泵 2 轉(zhuǎn)換為工頻運(yùn)行，同時(shí)將泵 3啟動(dòng)為變頻運(yùn)行。如此遞推，直到泵 3 全都運(yùn)行在工頻態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行。如果仍不能達(dá)到恒壓的控制目的，則說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有問(wèn)題，或者是水泵的總供水量滿足不了用戶的需求，或者是管壓參數(shù)的定位有問(wèn)題，需 重新調(diào)整，相應(yīng)增加水泵臺(tái)數(shù)或?qū)軌簠?shù)作相應(yīng)的修