【文章內容簡介】 應還可 能損壞閥門和固定件。而采用變頻調速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處： 1)產(chǎn)生水錘效應的根本原因是：水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉矩太大，短時間內流量的巨大變化而引起的。采用變頻調速，通過減少動態(tài)轉矩，可以實現(xiàn)消除水錘效應，減少了對水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 2)降低水泵平均轉速，減小工作過程中的平均轉矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長。 3)變頻調速的軟啟動器避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。 4)減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng) 對電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 本課題的主要研究內容 本文主要通過對現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調研和分析，依據(jù)用戶對供水系統(tǒng)的要求，確定以 遼寧科技 大學本科生 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設備變頻器和 PLC作為主要控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控與管理，保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。具體而言，論文包括以下內容： 1)論文在對課題進行分析和研究的基礎上，提出了系統(tǒng)的設計方案和思路，確定論文主要的研究內容和研究方法； 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)論文就變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的設計做了詳細的分析和研究。從用戶的需求入手確定合適的設備選型；詳細分析全自動變頻恒壓運行方式水泵運行的各種工況及其轉換過程，討論 PLC的程序設計方法及程序執(zhí)行特點，并在此基礎上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設計方案；在介紹 PID調節(jié)原理的基礎上，分析利用 PID調節(jié)原理實現(xiàn)恒壓供水的調節(jié)過程，給出 PID參數(shù)設置方 法；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。 4)通過計算機和 PLC的通信，實現(xiàn)供水系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時遠 程監(jiān)控是本論文的一個特色之處。論文介紹了計算機和 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)控軟件設計方法。 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，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電 。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的 CPU 以及一些相應的電路 遼寧科技 大學本科生 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 7 頁 主要結構 ，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓。 ，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。 ，它將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時它也接收來自這些部分的信號。其主要 組成部分是：輸出驅動電路、操作控制電路。主要功能是： 信號來開關逆變器的半導體器件。 。 的工作狀態(tài)，提供保護功能 變頻器外圍設備的種類與用途 ① —電源變壓器 T ② —電源側斷路器 QF ③ —電磁接觸器 1KM ④ —無線電噪聲濾波器 FIL ⑤ —電源側交流電抗器 1ACL、 2ACL ⑥ —制動電阻 R ⑦ —電動機側電磁接觸器 2KM ⑧ — I 頻電網(wǎng)切換用接觸器 3KM ⑤ ? —電動機側交流電抗 器 2ACL 變頻器的外圍設備及其選擇 （ 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，考慮到變頻器的輸入電流有一定量的高次諧波，使電源側的功率因數(shù)降低，加上變頻器運行效率的影響，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 大學本科生 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 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 時取 ~,無輸 入電抗器 1ACL 時則取 ~。變頻器效率可取 ，變頻器輸出功率應 為所接電動機的總功率。 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）電源側斷路器 QF 用于電源回路的開閉，并且在出現(xiàn)過流或短路 事故時自動切斷電源，以防事故擴大。如果需要進行接地保護，也可以 采用漏電保護式斷路器。使用變頻器無例外地都應采用 QF。 （ 3）電磁接觸器 1KM 用于電源的開閉，在變頻器保護功能起作用 時，切斷電源。對于電網(wǎng)停電后的復電，可以防止自 動再投入以保護 設備的安全及人身安全。 （ 4）無線電噪聲濾波器 FIL 用于限制變頻器因高次諧波對外界的干 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，減低電動機的噪聲。 （ 6）制動電阻單元 R 用于吸收電動機再生制動的再生電能?？梢钥s 短大慣量負載的自由停車時間。還可以在位能負載下放時，實現(xiàn)再生 運行。 （ 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。 制動電阻的計算 在異步電動機因設定頻率下降而減速時，如果軸轉速高于由頻率所決定的同步轉速， 遼寧科技 大學本科生 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 9 頁 則異步電動機處于再生發(fā)電運行狀態(tài)。運動系統(tǒng)中所存儲的動能經(jīng)逆變器回饋到直流側，中間直流回路的濾波電容器的電壓會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壓保護功能動作。利用制動電阻可耗散這部分能量，使電動機的制動能力提高。 制動電阻的選擇，可按如下步驟進行： （ 1）制動轉矩的計算 制動轉矩 TB 可由下式算出： (GD2M+GD2L)(n1― n2) TB= TL (N?m) 375ts 式中 GD2M— 電動機的 GD2(N?m178。) GD2L—負載折算到電動機軸上的 GD2 TL—負載轉矩 (N?m) n1— 減速開始速度（ r/min） N2—減速完了速度（ r/min） ts —減速時間（ s） （ 2）制動電阻阻值的計算 在附加制動電阻進行制動的情況下，電動機內部的有功損耗部分， 折合成制動轉矩，大約為電動機額定轉矩的 20%。考慮到這一點，可用 下式來計算 U2C RBO = (TB )n1 UC—直流回路電壓（ V） TB—制動轉矩 (N?m) TM—電動機額定轉矩 N1—開始減速時的速度 遼寧科技 大學本科生 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 10 頁 如果系統(tǒng)所需制動轉矩 TB TM,時，系統(tǒng)就有需要另外的制動電阻，僅電 動機內部的有功損耗的作用，就可使中間直流回路電壓限制在過壓保護的動 作水平以下 （ 3）制動時平均消耗功率的計算 如前所述，制動中電動機自身損耗的功率相當于 20%額定值的制動轉矩，因此制動電阻器上消耗的平均功率 Pro（ KW）可以求出： N1+n2 Pro=() X 103 (KW) 2 變頻器硬件設計 變頻器選用日本安川變頻器 CIMRP5A 45P5產(chǎn)品 , 適配電機 5. 5 kW , 該變頻器基本配置中帶有 P ID 功能 . 通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給 定 值 , 壓力傳感器反饋來的壓力信號 (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)壓力給定和實測壓力 , 調節(jié)輸出頻率 , 改變水泵轉速 , 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輸出信號端 , 該信號進 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面板可以設定 .MA、 MC 為變頻器發(fā)生故障的輸出信號 , 該兩端連接信號燈 , 以顯示變頻器故障 , 變頻器面板上有故障復位按鍵 , 輕故障用復位按鍵復位 , 可重新啟動變頻器 . S1和 S3短接 , 并與 Sc 連接到 PLC 的輸出點上 , 由 PLC 控制變頻器的運行與關斷 。U、 V、 W輸出端并聯(lián)兩個接觸器分別接 P P2泵電機 , 變頻器可分別驅動兩臺泵 , P P2泵電機還通過另外兩個接觸器并聯(lián)到工頻電源上 , 這四個接觸器線包連接到 PLC 的四個輸出點上 , 由 PLC 控制其工頻、變頻切換工作 . 遼寧科技 大學本科生 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 11 頁 變頻器的應用 水泵在運行中普遍存在以下三個問題 ： 單機效率低 ， 系統(tǒng)運行效率低 ， 多數(shù)風機、水泵都要靠閥門來節(jié)流、增壓，浪費大量的電能另外，在節(jié)能調節(jié)方式中，電動機、水泵等長期處于高速、大負載下運行，造成維護工作量大，設備壽命低，并且運行現(xiàn)場噪聲大，污染環(huán)境。 出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質量不斷提高 的要求，加之采用變頻調速器易操作、免維修、控制精度高，并且可以實現(xiàn)高功能優(yōu)化等特點，設計人員采用變頻器驅動的方案逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速 n 與流量 Q ，壓力 H 以及軸功率 P 具有如下關系： ,Qn? 2,Hn? 3,Pn? 即，流量與轉速成正比，壓力與轉速平方成正比，軸功率與轉速立方成正比。 以一臺水泵為例，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 )。額定轉速 0n ，閥門全開時的管阻特性為 0r ，額定工況下與之對應的壓力 為 1H ，出口流量為 1Q 。流量 —— 轉速 —— 壓力關系曲線如圖 所示。在現(xiàn)場控制中，要求管網(wǎng)壓力不得低于 3H ，在此范圍內調節(jié)系統(tǒng)供水流量。通常采用水泵定速運行，調節(jié)出口閥門開度控制流量。當流量從 1Q 減小到 50%至 2Q 時，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由 0r 變?yōu)?r ，系統(tǒng)工作點沿方向 ? 由原來的 A 點移至 B 點，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 遼寧科技 大學本科生 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 12 頁 2H ，管網(wǎng)壓力則因為節(jié)能原因降至 3H 。 工藝流程簡介 系統(tǒng)投入時，用 3 臺泵供水。假設首先用 1 號泵供水，開始用變頻運行。如果 供水管網(wǎng)欠壓，其轉速由零逐步增加，管網(wǎng)水壓升高。若用水量大，則管網(wǎng)水壓達不到設定值，經(jīng)過一定的延時后，將 1 號泵由變頻運行切換為工頻運行，同時啟動泵 2 變頻，通過壓力傳感器的壓力信號反饋控制轉速，使得轉速動態(tài)跟隨供水壓力的變化。如果管網(wǎng)水壓仍低于設定值，先延時切除泵 2 的變頻運行，將泵 2 轉換為工頻運行，同時將泵 3啟動為變頻運行。如此遞推，直到泵 3 全都運行在工頻態(tài)，此時系統(tǒng)滿負荷運行。如果仍不能達到恒壓的控制目的，則說明系統(tǒng)設計的有問題，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)的定位有問題，需 重新調整，相應增加水泵臺數(shù)或對管壓參數(shù)作相應的修