【正文】 軟啟動 工頻狀況下馬達(dá)采用的是星三角降壓延時啟動，此時電流是電機額定電流的 4— 7倍，若多臺大功率的電機同時啟動，將對電網(wǎng)造成很大沖擊。采用變頻器后，馬達(dá)只需在額定電流下就可啟動，電流平滑無沖擊，減少了啟動電流對馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，延長了電機的使用壽命。 減少無功功率 無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因無功功率因素的降低導(dǎo) 致電網(wǎng)有功功率的降低。而使用變頻器調(diào)節(jié)后由于變頻器內(nèi)濾波電容的使用，使得功率因素接近為 1，增大了電網(wǎng)的有功功率。從而節(jié)省了無功功率消耗的能量。 方便控制，使控制系統(tǒng)簡單化 ①、變頻器很容易實現(xiàn)電機的正、反轉(zhuǎn) ②、加、減速時間及頻率可任意調(diào)節(jié) ③、變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進(jìn)行制動，則無需另加制動控制電路 ④、運行平穩(wěn) ⑤、可進(jìn)行高速運轉(zhuǎn)。 PID調(diào)節(jié)器 PID 是比例 ,積分 ,微分的縮寫 .BR比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差 ,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差 ,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大 ,可以加快調(diào)節(jié) ,減少誤差 ,但是過大的比例 ,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 ,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,提高無差度。因為有誤差 ,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行 ,直至無差 ,積分調(diào)節(jié)停止 ,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti 越小 ,積分作用就越強。反之 Ti 大則積分作用弱 ,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降 ,動態(tài)響應(yīng)變慢。積 分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合 ,組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào) 節(jié)器 。 僅用 P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加 I動作的 PI控制。用 PI控制時，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， I動作過強時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨使用 P動作控制。 對于 PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨 D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時， P動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負(fù)載場合，僅 P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使 P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負(fù)載。 利用 I動作消除偏差作用和用 D動作抑制振蕩作用，在結(jié)合 P動作就構(gòu)成了 PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用 PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從 產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負(fù)載系統(tǒng) (即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié) )效果比較好 。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 PID控制框圖 圖 PID控制框圖 通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的 PID控制器的控制形式主要有兩種 : (1)硬件型：即通用 PID控制器，在使用時只需要進(jìn)行線路的連接和 P、 I、 D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定 。 (2)軟件型：使用離散形式的 PID控制算法在可編程序控制器 (或單片機 )上做 PID控制器 此次使用硬件型控制形式。 根據(jù)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。 圖 PID 控制接線圖 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 變頻恒壓供水系統(tǒng) 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水 量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成 片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點 : (1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量 (如 :溫度、流量、濃度等 )一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。 (2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。 (3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。 (4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制 (包括定量泉的停止和運行 )是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。 (5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況 (如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等 )時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動 器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。 (7)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè) 備的使用壽命。 課題研究的對象 圖 供水流程簡圖 此次設(shè)計研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。如圖 所示，是這棟小樓的供水流程。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： 1．邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實現(xiàn)水泵機組全部軟啟 動、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。 2．單片微機電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時，調(diào)試較麻煩；追加功能時往往要對電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。 3．帶 PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器 (PLC)的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 管網(wǎng)水壓連續(xù)變化 。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足 用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入 PID回路調(diào)節(jié)器，由 PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運算后，輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。 由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或 PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價格很 高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊 PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個開關(guān)量輸入，輸出的可編程控制器和一個 PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中， PID控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 4．新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 針 對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58泵切換卡； SANKEN的SAMCO— I系列； ABB公司的 ACS600、 ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的 GIIS／ PIIS系列產(chǎn)品；等等。這些產(chǎn)品將 PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于 PID運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對 PID算法的編程，而且 PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn) 成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。 考慮以上六種方案后，此次設(shè)計采用第六種方案。如圖 。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 圖 供水系統(tǒng)方案圖 變頻構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 控制原理圖 如圖 ，整個系統(tǒng)由四臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺 PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，四臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓 力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。 (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)，圖 4個水泵分為二種類型 : 調(diào)速泵 :是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)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。 恒速泵 :水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進(jìn)行定量 的補充。 (2)信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號 : 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 ① 水壓信號 :它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 ② 報警信號 :它反映系統(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(guān)量信號。 (3)控制系統(tǒng) 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(shè)備三個部分。 ① 供水控制器 :它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)中的工況、壓力、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn) 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 )進(jìn)行控制。 ② 變頻器 :它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器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。 ③ 電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換等。 (4)人機界面 人機界面是人與機