【文章內(nèi)容簡介】 和成都希望集團(tuán) (森蘭變頻器 )也推出恒壓供水專用變頻器 ()，無需外接 PLC 和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多 4臺水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容 量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 可以看出 ， 目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)，的變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究還不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 課題來源 本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)際應(yīng)用。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 本系統(tǒng)做主要由主供水回路、 清水池及泵房組成。如圖 11為變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，其中，泵房裝有 1~3共三臺泵機(jī)，還有多個(gè)電動(dòng)閥門控制各回路和水流量。控制系統(tǒng)采用了已具有豐富功能的 PLC為核心的多功能高可靠性控制系統(tǒng)。恒壓供水的主要目的是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，這就需要用變頻器為水泵電機(jī)供電。這里采用數(shù)臺電機(jī)配一臺變頻器，變頻器與電機(jī)之間可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，只有一臺泵變頻運(yùn)行，以滿足不同用水量的需求。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 圖 11 變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2章 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺水泵電機(jī)，這比設(shè)單臺水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺電機(jī)及水泵時(shí)，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時(shí)開一臺大電機(jī)肯定是浪費(fèi)的。電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水會(huì)不足。而且水泵與電機(jī)都有維修的時(shí)候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)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(jī)供電。這方案是數(shù)臺電機(jī)配一臺變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺水泵變頻運(yùn)行。其余水泵工頻運(yùn)行，以滿足不同用水量的需 求。 圖 21為恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低，用水量小時(shí)，水壓升高。水壓傳感器將水壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱乃徒o調(diào)節(jié)器。 圖 21 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(shè)定水管壓力的給定值。恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越遠(yuǎn)，用水地點(diǎn)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(shí)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(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不止一個(gè)，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(jìn)行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。 (2)接收傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實(shí)測值。管網(wǎng)實(shí)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(diǎn)。 (3)根據(jù)結(jié)定值與實(shí)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P L C 送 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 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 水壓的實(shí)測反饋信號后，將它與結(jié)定值比較，得到給定值與實(shí)測值之差。如給定位大于實(shí)際值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速．如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這 些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號控制。為了實(shí)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(gè)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。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如 P、 I、 D 參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的。 PID調(diào)節(jié)過程視調(diào)節(jié)器的內(nèi)部構(gòu)成有數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微計(jì)算機(jī)為核心的調(diào)節(jié)器多為數(shù)字式調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)器的輸出信號一船是模擬信號， 4～ 20mA 變化的電流信號或 0～ 10V 間變化的電壓信號。信號的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備工作。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 3章 變頻器和壓力傳感器 變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理 交流變頻器是微計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計(jì)算機(jī)是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。眾所周知，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是 50Hz。而交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 PfN 11 60? () 式中 1N 同步轉(zhuǎn)速， r/min； 1f 定子頻率， Hz； P 電機(jī)的磁極對數(shù)。 而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 11 sP fsNN ???? () 式中 s 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率， 11 /)( NNNs ?? ，一般小于 3%。 均與送入電機(jī)的電流頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比例或接近于正比例。因而，改變頻率可以方便地改變電機(jī)的運(yùn)行速度，也就是說變頻對于交流電機(jī)的調(diào)速來說是十分合適的。 從頻率變換的形式來說．變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式。交 交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電．又稱間接式變頻器。市售通用變頻器 多是交 直 交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖 31所示。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 31 交 直 交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下： (1)整流器。電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它的作用是把三相 (也可以是單相 )交流整流成直流。 (2)直流中間電路。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。由于逆變器的負(fù)載多為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無論是電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng) 狀態(tài)其功率因數(shù)總不會(huì)為 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件 (電容器或電抗器 )來緩沖。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。 (3)逆變器。負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率及電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。 (4)控制電路。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路及保護(hù)電路等幾個(gè)部分。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制， 對整流器的電壓控制及完成各種保護(hù)功能。控制電路是變頻器的核心部分的性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能。 (5)變頻器有 2個(gè)作用，一是作為電機(jī)的軟起動(dòng)裝置，限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流；二是改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 壓力傳感器的概念 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中檢測環(huán)節(jié)是非常重要的一部分，它將檢測到的控制量反饋回輸入端，控制指令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控制指令 控制指令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運(yùn)行指令 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)所用的檢測的是水壓，采用壓力傳感器，它通常安裝在出水管網(wǎng)上，其功能是把出口壓力信號變成 4～ 20mA變化的電流信號或 0～ 10V 間變化的電壓信號的標(biāo)準(zhǔn)信號送入 PLC的端口進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時(shí)，通過 PLC控制切換器進(jìn)行加減泵。根據(jù)用水量的大小由 PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，尤其是硬件 /軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 4章 系統(tǒng)的硬件電路 設(shè)計(jì) 恒壓供水要求用戶端不管用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述要求，需要 變頻器根據(jù)給定壓力信號和反饋壓力信號，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管網(wǎng)中水壓恒定的目的。變頻器恒壓供水系統(tǒng)如圖 41所示。 圖 41變頻器恒壓供水系統(tǒng)連接圖 該系統(tǒng)主要由 3臺水泵（兩臺生活水泵，一臺備用泵）、 1臺 變頻器（內(nèi)帶 PID調(diào)節(jié)功能）、 PLC、及線性壓力傳感器等組成。 PLC 控制各臺水泵的運(yùn)行狀態(tài)（如工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行、停止），從而控制水泵的運(yùn)行臺數(shù)，在供水中利用 PID回路調(diào)節(jié)功能將檢測到的現(xiàn)場壓力值與整定值進(jìn)行比較，比較后的信號送至 變頻器，對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制電三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 泵速度的目的。水泵的速度具體的調(diào)節(jié)是采用變頻調(diào)速技術(shù)，利用 變頻器對水泵進(jìn)行速度控制。 （ 1）系統(tǒng)工作流程如圖 42所示 圖 42 工作流程圖 （ 2）系統(tǒng)工作過程 首先開主電源和 PLC電源，然后根據(jù)需要選擇手動(dòng)或自動(dòng)，如果選擇手動(dòng)，則根據(jù)需要選擇各泵的運(yùn)行，如果選擇自動(dòng)，開變頻器后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)水壓情況調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行，當(dāng)用水量大，水壓過小的時(shí)候， PLC和變頻器配合工作， 根據(jù)需要來投入各泵的運(yùn)行，變頻調(diào)速無法滿足時(shí)， PLC 將各泵調(diào)整為工頻運(yùn)行。當(dāng)水壓變大時(shí)， PLC和變頻器配合工作，切除相應(yīng)的泵運(yùn)行，如果水壓一直過大時(shí)， PLC則調(diào)整 1泵為變頻運(yùn)行。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 該系統(tǒng)包括 3臺水泵電動(dòng)機(jī) M M M3，其中 M3為備用，系統(tǒng)為一臺 變頻器依次控制每臺水泵實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)恒壓控制。系統(tǒng)具有變頻及工頻兩種運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻泵達(dá)到水泵額定轉(zhuǎn)速后，如水壓在所設(shè)定的判斷時(shí)間內(nèi)還不能滿足恒壓值時(shí)，系統(tǒng) 自動(dòng)將當(dāng)前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài)，并指示下一臺泵為變頻泵。主電路如圖 43所示。 圖 43 恒壓供水系統(tǒng)主電路 其中接觸器 KM KM KM6 分別控制 M M M3 工頻運(yùn)行， KM KM KM5分別控制M M M3變頻運(yùn)行， KM0控制 變頻器的工作，熱繼電器 FR 起熱保護(hù)作用。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 5章 PID的控制原理與理論設(shè)計(jì) PID調(diào)節(jié)原理和特點(diǎn) PID（比例積分微分）英文全稱為 P