【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，輸出端輸出的是頻率在一定的范圍內(nèi)連續(xù)變化可調(diào)的三相交流電，接至電動(dòng)機(jī)。 圖 21 變頻器的使用 變頻器的變頻與變壓 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n0=60f1/P 感應(yīng)電電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=n0(1s)=60f1*(1s)/P 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 式中，為 f1為供電頻率、 P為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、 s 為轉(zhuǎn)差率。 由此可見(jiàn)，若能連續(xù)的改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的供電頻率 f1，就可以平滑的改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速， 這就是變頻調(diào)速的基本原理。 變頻調(diào)速的最大優(yōu)點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)從高速到低速，其轉(zhuǎn)差率始終保持最小的數(shù)值，因此變頻調(diào)速時(shí)，變頻調(diào)速器的功率因數(shù)都很高?？梢?jiàn)，變頻調(diào)速時(shí)一種理想的調(diào)速方式。但它需要特殊的變頻裝置供電，以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制。 由電機(jī)學(xué)知 E1= m Te=CmΦ mI2cosa 式中， E1—— 氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值（ V） f1—— 定子頻率（ Hz） N1—— 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù) Kn1—— 基波繞組系數(shù) Φ m—— 每極氣隙主磁通量（ Wb） Te—— 電磁轉(zhuǎn)矩（ Nm） Cm—— 為轉(zhuǎn)矩系數(shù) I2—— 轉(zhuǎn)子電流折算至定子側(cè)的有效值 cosa—— 轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù) 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子阻抗壓降很小，因此可以忽略， 則有 U1≈ E1≈ m 式中 U1為定子相的電壓（ V）。 于是，主磁通 Φ m =E1／ ≈ U1／ 由于 ， U1≈ E1∝ f1Φ m 即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值與定子供電頻率和主磁通的乘積成正比，由于 U1沒(méi)有變化，因此可以認(rèn)為 E1基本不變?，F(xiàn)假設(shè)從額定頻率fn向下調(diào)節(jié)頻率，此時(shí)主磁通將增 加。若從額定頻率 fn向上調(diào)節(jié)頻率，此時(shí)主磁通將減少。 在關(guān)于電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通為額定值，由于磁通增加將會(huì)引起鐵心過(guò)分飽和，勵(lì)磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過(guò)分發(fā)熱，功率因數(shù)降低 。磁通太弱，沒(méi)有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)。而磁通減少 也會(huì)使電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢(shì)必導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子過(guò)電流，也要產(chǎn)生過(guò)熱，因此希望保持磁通恒定。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 由此可見(jiàn)，只要控制好 E1和 f1，便可達(dá)到控制磁通的目的，對(duì)此，我們只需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。 基頻以下調(diào)速 由上 可知，要保持主磁通不變，當(dāng)頻率 f1從額定值 f1N向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低E1，使 E1/ f1=常數(shù)，即采用恒電動(dòng)勢(shì)頻比控制方式。 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 U1和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值 E1大約相等，則得 U1/ f1=常數(shù)，即恒壓頻比控制方式。 低頻時(shí)， U1和 E1都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能忽略。這時(shí)，可以人為地把 U1抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 f1N往上增高，但電 壓 U1卻不能增加得比額定電壓U1N還要大，最多只能保持 U1=U1N。由 U1≈ E1∝ f1Φ m 可知這將迫使磁通與頻率成反比地減少，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來(lái)，可得圖 22所示的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。 圖 22 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 由上面的討論可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子電壓和頻率，即必須通過(guò)變頻裝置獲得電壓、頻率均可調(diào)的供電電源，實(shí)現(xiàn)所謂的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)調(diào)速控制。通用變頻器可以實(shí)現(xiàn)本平臺(tái)上的基本要求。 變頻器的構(gòu)成與功能 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 一、典型變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器由主回路和控制回路組成。如圖 23所示典型的電壓變壓器的基本結(jié) 構(gòu) 圖 23 典型的電壓變壓器的基本結(jié)構(gòu) 在許多場(chǎng)合，為了保持調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通恒定，以避免電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力降低和要大負(fù)載下過(guò)電流，這就要求變頻器輸出電壓值也要隨輸出頻率的變化作相應(yīng)調(diào)節(jié)。而需要快速反應(yīng)的場(chǎng)合，則必須控制輸出電流。此時(shí)，變頻器主回路的輸出電壓或輸出電流及頻率由控制回路的控制指令進(jìn)行控制 ，而控制指令由外部給定的運(yùn)轉(zhuǎn)指令經(jīng)過(guò)某些函數(shù)關(guān)系的運(yùn)算求得，整個(gè)系統(tǒng)時(shí)開(kāi)環(huán)的。而對(duì)于控制精度要求較高的場(chǎng)合，比如變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)電路，運(yùn)算還應(yīng)包括由電動(dòng)機(jī)側(cè)檢測(cè)的反饋信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)時(shí)閉環(huán)的。另外，為了避免主回路過(guò)壓，過(guò)流引起的損壞，還應(yīng)設(shè)有保護(hù)電路。 主回路 將工頻電源變成電壓或電流及頻率可調(diào)的交流電源來(lái)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)供電的電力變換部分為變頻器的主回路。主回路由變頻器、濾波回路和逆變回路三部分組成，另外，一旦電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)，需附加“制動(dòng)回路”。 控制回路 現(xiàn)代通用變頻器都是數(shù)字控制的，微處理器是控 制回路的核心，它通過(guò)輸入接口電路和通訊接口取得外部信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)回路取得電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行信號(hào)，根據(jù)設(shè)置的運(yùn)行方式，進(jìn)行 U／ f 控制、矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，間控制命令傳送給PWM控制回路，去觸發(fā)逆變器，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 控制回路向變頻器主回路提供多種控制信號(hào)?？刂苹芈钒ǎ簺Q定 U／ f控制的頻率電壓“運(yùn)算回路”，主回路的“電壓／電流”檢測(cè)回路、電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)回路”，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果生成相應(yīng)的 PWM 脈沖并進(jìn)行隔離和放大的“ PWM 生成及驅(qū)動(dòng)回路 ” ，以及變頻器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)回路”。 變頻調(diào)速技 術(shù)的原理 變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水泵節(jié)能和恒壓供水領(lǐng)域。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系，即均勻改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源 頻率 ，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動(dòng)機(jī)輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即 P=Kn3。其中 P為水泵消耗功率； n為水泵運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速； K為比例系數(shù)。變頻調(diào)速和智能控制技術(shù)，可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的 目的。用閥門控制水泵流量時(shí)，部分有功功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。如果采用降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行控制，就避免了消耗在閥門的有功功率。這樣，在轉(zhuǎn)運(yùn)同樣流量的情況下，僅需要輸入較低的功率，獲得節(jié)能效果。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低 20%，從而大大降低能 耗 。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)功能要求 根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)要求 ，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，該硬件系統(tǒng)必須符合以下幾個(gè)要求 1. 泵組的運(yùn)行要符合實(shí)際用水情況。 2. 火災(zāi)時(shí)，應(yīng)急泵組能迅速啟動(dòng)，以保證消 防供水穩(wěn)定。 3. 主泵與備用泵之間啟動(dòng)順序要有規(guī)律，防止主泵與備用泵同時(shí)啟動(dòng)。 4. 發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)反映出故障原因，并迅速啟動(dòng)備用泵。 5. 各種輔助的電器元件要符合當(dāng)前系統(tǒng)要求和國(guó)家的規(guī)范要求。 6. 整個(gè)供水系統(tǒng) 的安裝 要符合電氣接線規(guī)范和消防緊急供電要求。 硬件系統(tǒng)的選型 經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)要求分析，我們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)符合該要求的方案，并統(tǒng)計(jì)出數(shù)字量輸入點(diǎn)有 12 個(gè)， 1 個(gè)模擬量輸入，數(shù)字輸出點(diǎn)有 20 個(gè)， 1 個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。由此，我們考慮到經(jīng)濟(jì)性原則，整個(gè)硬件系統(tǒng)的方案中，采用了 s7200 系列的 cpu222+EM223 I/O 擴(kuò)展模塊 +EM235 模擬量擴(kuò)展模塊構(gòu)成系統(tǒng)的主要。該方案共可以提供 24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)， 22個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)， 4個(gè)模擬量輸入點(diǎn)， 1 個(gè)模擬量輸出點(diǎn)，完全滿足當(dāng)前系統(tǒng)要求并具有一定的擴(kuò)展性，方便日后用于系統(tǒng)的升級(jí)改造。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 硬件系統(tǒng)的主接線圖 （ 1）控制系統(tǒng)的控制圖，如圖 31 (2)水泵組的主接線如圖 32 圖 32 圖 31 CPU222 …………………….I EM223 1 ………..…. ……………. EM235 1 AQW0 AIW0/4/6 ……………………. 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 4 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)功能要求 根據(jù)實(shí)際情況和工程需要分析，該恒壓供水系統(tǒng)必須符合以下幾個(gè)要求 1. 整個(gè)系統(tǒng) 應(yīng) 能達(dá)到 一定的 可 控性，防止由于編程錯(cuò)誤造成不必要的災(zāi)害。 2. 編程要簡(jiǎn)短精煉，盡量減少不必要的掃描時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率。 3. 對(duì)重要的程序進(jìn)行部分的分析并進(jìn)行必要的模擬仿真，盡量做能優(yōu)化程序。 4. 泵組之間運(yùn)行程序要有一定的互鎖，防止主泵和備用泵同時(shí)啟動(dòng)造成管網(wǎng)設(shè)備的損壞。 5. 發(fā)生緊急情況時(shí)，泵組間的運(yùn)行程序應(yīng)能做出迅速的反應(yīng)并能及時(shí)啟動(dòng)備用泵組。 編程設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)要求和實(shí)際情況，整個(gè)軟件系統(tǒng)必須要能實(shí)現(xiàn)白天泵組 自動(dòng)恒壓 供水， I組 泵和 II 組 泵間要能互相備用，夜間時(shí)（即 0 點(diǎn)到 6點(diǎn)），所有泵組應(yīng)停止運(yùn)行， 由氣壓罐獨(dú)自供水，以達(dá)到節(jié)能效果。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不管白天還是晚上，泵組必須要馬上投入使用，以保證消防供水。主程序流程圖如圖 41所示 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 圖 41 由上面的主程序流程圖，我們可以看出 火災(zāi)運(yùn)行程序是處于 第一位置，這是為了保證當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)能第一時(shí)間啟動(dòng)火災(zāi)應(yīng)急泵組，盡快投入使用。其中讀取時(shí)間是利用 PLC 本身自帶的時(shí)鐘，而不是利用定時(shí)效果來(lái)進(jìn)行泵組間的切換運(yùn)行。 這樣有利于我們根據(jù)實(shí)際用水高峰段來(lái)進(jìn)行泵組的運(yùn)行和泵組間的切換時(shí)間間隔。當(dāng)讀取時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行時(shí)間比較，然后根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)入夜間運(yùn)行或者白天的泵組 運(yùn)行模式。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 火災(zāi)應(yīng)急泵組運(yùn)行 火災(zāi)應(yīng)急子程序是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，它是肩負(fù)起發(fā)生火災(zāi)時(shí)，水泵應(yīng)能迅速啟動(dòng)并能提供足夠的壓力來(lái)維持整個(gè)消防用水 過(guò)程 。由于考慮到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，供水壓力和供水質(zhì)量要求很高，所以在 PID運(yùn)算時(shí)，設(shè)置的參數(shù)會(huì)比較高，這樣有利于快速提高供水壓力。但是正因?yàn)橄烙盟蟮膲毫^高，這時(shí)候水泵設(shè)備基本接近于滿負(fù)載運(yùn)行狀況，要是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行這對(duì)設(shè)備有很大的物理傷害，直接影響到設(shè)備的壽命。 按照實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在整個(gè)過(guò)程中，消防用水很大，火撲滅后，還需要繼續(xù)噴水降溫防止再燃， 而整個(gè)滅火過(guò)程所需的時(shí)間少則 20 分鐘，多則 4 小時(shí)。 因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們采用 定時(shí)效果使得 兩組水泵輪流工作，這樣 一 來(lái)可以減小 供水 設(shè)備的損害，延長(zhǎng)設(shè)備的壽命 和減少一次投資的成本 ，二來(lái)可以讓水泵組啟動(dòng)的效率提高，足以提供符合消防用水的嚴(yán)格要求。整個(gè)消防供水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行流程圖如圖 42所示 I 組泵、 II 組泵切換運(yùn)行 泵組內(nèi)供水水泵工作臺(tái)數(shù) 運(yùn)行和泵組間切換運(yùn)行也是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。我河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 們以 I 組泵內(nèi)的水泵臺(tái)數(shù)運(yùn)行情況為例。當(dāng)供水系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)（即夜間運(yùn)行剛結(jié)束），整個(gè)高樓的管道供水能力很差，處 于高位的地方水壓很低，甚至沒(méi)水。這是由于夜間時(shí)，整個(gè)大樓的用水量不高，我們?yōu)榱斯?jié)能和減少不必要的浪費(fèi)，所以夜間運(yùn)行時(shí)，所有供水水泵都處于停機(jī)狀態(tài)（除了發(fā)生火災(zāi)情況時(shí)），由氣壓罐進(jìn)行夜間供水。當(dāng)夜間運(yùn)行結(jié)束后，大樓的用水量會(huì)處于猛增，這時(shí)候就必須要啟動(dòng)水泵進(jìn)行供水，否則會(huì)出現(xiàn)供水不足情況。供水系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)， I 組泵中的 1泵就會(huì)在變頻器的作用下進(jìn)行軟啟動(dòng)，然后通過(guò)壓力傳感器來(lái)測(cè)出當(dāng)前管網(wǎng)內(nèi)水壓值送給 PLC 處理，并控制變頻器的運(yùn)行頻率，從而控制水泵轉(zhuǎn)速。 當(dāng) 1泵處于工頻工作一段時(shí)間（我們?cè)诔绦蛑性O(shè)為 15S）后，管網(wǎng)內(nèi)的壓力仍少于我們要求的日常供水壓力，這時(shí)候我們就使得 1 泵由變頻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl運(yùn)行并同時(shí)啟動(dòng) 2 泵組，這樣就能迅速提高管網(wǎng)內(nèi)的壓力。 但是在 2泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，一旦 2泵處于變頻的峰值（ 50Hz）運(yùn)行一段時(shí)間（ 20S）后，壓力仍不能達(dá)到供水要求，這時(shí)候我們就認(rèn)為是泵組出現(xiàn)故障，應(yīng)馬上把當(dāng)前運(yùn)行的泵組停止運(yùn)行并迅速切換到備用泵組，由備用泵組承擔(dān)起供水運(yùn)行。當(dāng)高樓的用水量減少時(shí)，這時(shí)候 2泵以最低頻（設(shè)定為 20Hz）工作 15S 后，這時(shí)候管網(wǎng)內(nèi)的壓力仍大于供水要求， 那我們就馬上把 1泵從工頻運(yùn)行變?yōu)橥?機(jī)，僅有 2泵變頻來(lái)維持供水。 一旦用水量又開(kāi)始增大時(shí)，僅有 2泵變頻運(yùn)行到 50Hz 并為此 15S 后，管網(wǎng)壓力仍不能達(dá)到供水要求，這時(shí)候把 2泵由變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行并使得 1泵變頻啟動(dòng)，由 2泵工頻、 1泵變頻維持供水。如果一旦 1泵處于變頻 50Hz 供水 20S 后，管網(wǎng)壓力不滿足要求，這時(shí)候我們也認(rèn)為是泵組機(jī)組出現(xiàn)故障，馬上停止當(dāng)前運(yùn)行泵組并迅速啟動(dòng)備