【正文】 器”，吸收在整流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 其工作可分為兩個(gè)基本過(guò)程：(1) 先將電源的三相交流電經(jīng)整流橋整流成直流電。(2) 再把直流電逆變成頻率任意可調(diào)的三相交流電，所謂“逆變”過(guò)程，就是若干個(gè)開(kāi)關(guān)器件長(zhǎng)時(shí)間不停息地交替導(dǎo)通和關(guān)斷的過(guò)程，使兩相間的電壓為交變電壓。[24] 變頻器的分類(lèi) 變頻器的分類(lèi)方法有多種，按照主電路工作方式分類(lèi)，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類(lèi)，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類(lèi)，可以分為通用變頻器、高性能專(zhuān)用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻器的控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 (1) V/f控制 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開(kāi)環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通過(guò)矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過(guò)控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開(kāi)關(guān)損耗。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無(wú)速度傳感器的矢量控制方式兩種。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)檢測(cè)定子電阻來(lái)達(dá)到觀測(cè)定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開(kāi)環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對(duì)某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時(shí)間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實(shí)現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 變頻與變壓(VVVF)原理當(dāng)在實(shí)際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，當(dāng)頻率f下降時(shí)，定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)E有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵(lì)磁電流比增大，因而磁通φm增大。φm增加將導(dǎo)致鐵芯的飽和，進(jìn)而引起勵(lì)磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望φm可以保持基本不變。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，只要在變頻過(guò)程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通φm可保持基本不變。因此變頻的同時(shí)也要變壓，常用VVVF表示。VVVF實(shí)施的基本方法包括：脈幅調(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM) 和正弦脈寬調(diào)制(SPWM) [25]。①脈幅調(diào)制(PAM)實(shí)現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿(mǎn)足一定的關(guān)系，故控制電路比較復(fù)雜，因此比較少用。②脈寬調(diào)制(PWM)它是通過(guò)輸出方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓。實(shí)現(xiàn)方法就是在每半個(gè)周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖波，每個(gè)脈沖的寬度為t1，每個(gè)脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。這時(shí)電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實(shí)現(xiàn)變頻也變壓的效果。③正弦脈寬調(diào)制(SPWM)在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，如果脈沖寬度和占空比的大小按正弦規(guī)律分布，便是正弦脈寬調(diào)制(SWPM)。當(dāng)正弦值較大時(shí)，脈沖寬度和占空比都大；而當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖寬度和占空比都小。SPWM的顯著優(yōu)點(diǎn)是：由于電動(dòng)機(jī)的繞組具有電感性，因此，盡管電壓是由一系列的矩形脈沖構(gòu)成的，但通入電動(dòng)機(jī)的電流卻和正弦波十分接近。 變頻調(diào)速的基本原理異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式： ()其中各參數(shù)的物理意義如下：定子繞組電阻r1，電抗x1；轉(zhuǎn)子繞組r2, 電抗x2；定子相電壓U1；電源頻率f1；p為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動(dòng)機(jī)的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際是三個(gè)交變磁場(chǎng)合成的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必須低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn)差率表示，轉(zhuǎn)差率s=( n0 n1)/n0根據(jù)n0=60f/p可知，當(dāng)頻率f連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào)，而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1，總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點(diǎn)，所以當(dāng)n0連續(xù)可調(diào)時(shí)，n1也是連續(xù)可調(diào)[26]。5 變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)在的大多數(shù)變頻器，無(wú)論是水泵風(fēng)機(jī)專(zhuān)用型，還是通用型都內(nèi)置了PID控制功能，這對(duì)節(jié)省系統(tǒng)的成本很有利。內(nèi)置型PID的優(yōu)點(diǎn)很明顯，成本低，控制性能較好，設(shè)置的參數(shù)少，接線(xiàn)工作量較少，抗干擾性最好，所以本設(shè)計(jì)采用內(nèi)置PID功能的水泵專(zhuān)用變頻器。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用變頻器，PLC組成的恒壓控制單元循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換。[30] 系統(tǒng)構(gòu)成框圖由以上系統(tǒng)構(gòu)成總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：(1) PLC (2) 變頻器（自帶PID模塊） (3) 水泵機(jī)組 (4) 壓力變送器 恒壓供水是指不管用戶(hù)用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿(mǎn)足各部位的用戶(hù)對(duì)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)上述目的，利用具有PID功能的變頻器，PLC，根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋信號(hào)，控制電機(jī)頻率調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)恒壓及控制水泵啟動(dòng)數(shù)目的目的。變頻恒壓供水實(shí)現(xiàn)恒壓的工作過(guò)程是一個(gè)自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程：安裝于供水母管上的壓力變送器將供水管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，送到變頻器，與設(shè)置的參考?jí)毫χ迪啾容^，經(jīng)PID運(yùn)算處理后，決定其輸出頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供水的水量及供水壓力的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)供水管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)（即實(shí)現(xiàn)恒壓供水）。恒壓調(diào)節(jié)的過(guò)程形象的講就是當(dāng)用水量增加時(shí)，供水母管壓力減小，變頻器的輸出電壓和頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速升高，泵出口壓力增大，出水量增大；當(dāng)用水量減小時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速降低，泵出口壓力減小，出水量減小。始終保持管網(wǎng)的壓力恒定，保持在或接近于是先設(shè)置的壓力值上。[31] 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案 供水基本環(huán)境的確定根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》，小區(qū)按500戶(hù)算，根據(jù)供水規(guī)模換算表。設(shè)定樓層數(shù)為15層樓，水泵實(shí)際揚(yáng)程為60(m)。根據(jù)樓房供水設(shè)定供水壓力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：P=（+樓層數(shù)）MPa ()。 控制方案確定利用單臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系統(tǒng)，是目前應(yīng)用中比較先進(jìn)的一種控制方法。本設(shè)計(jì)采用單臺(tái)變頻器控制2臺(tái)水泵的方案。 控制原理框圖控制系統(tǒng)的工作原理如下:根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制兩臺(tái)水泵按1—2—3—4—1的順序運(yùn)行，以保證正常供水。開(kāi)始工作時(shí)，系統(tǒng)用水量不多，只有1號(hào)泵在變頻器控制下運(yùn)行，2號(hào)泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率，保持一定時(shí)間后，表示只有1臺(tái)水泵工作己不能滿(mǎn)足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)，1號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的工頻交流電源，而變頻器電源啟動(dòng)2號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過(guò)后，用水量減少時(shí)，變頻器輸出頻率減小，若減至設(shè)定頻率，保持一定時(shí)間后，表示只有1臺(tái)水泵工作已能滿(mǎn)足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)，可將1號(hào)泵電機(jī)停運(yùn)，2號(hào)泵電機(jī)仍由變頻器電源供電，這時(shí)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)3。當(dāng)用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率，保持一定時(shí)間后，表示只有1臺(tái)水泵工作已不能滿(mǎn)足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)的控制，2號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動(dòng)1號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時(shí)，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率，保持一定時(shí)間，表示只有1臺(tái)水泵工作已能滿(mǎn)足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)的控制，可將2號(hào)泵電機(jī)停運(yùn)，1號(hào)泵電機(jī)仍由變頻器供電，這時(shí)，控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài)1。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿(mǎn)足系統(tǒng)用水的需要。[12][13] 系統(tǒng)各元件的選則 水泵機(jī)組的選擇（1）水泵功率計(jì)算公式如下：N=Q*H/367/g(~) （）式中:N，軸功率，單位是千瓦（kW） Q，流量，單位是立方米每小時(shí)（m3/h） H，揚(yáng)程，單位是米(m) 367，是常數(shù)，是一個(gè)固定值g, ~，是水泵的效率，一般流量大的取大值，流量小的取小值； 假定g=（經(jīng)驗(yàn)值，各品牌效率均不同），有兩臺(tái)水泵，（m3/h），取每臺(tái)水泵最大流量為45kW，實(shí)際揚(yáng)程H=60(m)。所以有：N=45*60/367/=水泵功率=軸功率*安全系數(shù),即P=N*K(K在N不同時(shí)有不同的值，當(dāng)N22時(shí)，K=)P=N*K=*= （）一般水泵的功率有一些模數(shù)，從小到大有：，3kW，4kW，，11kW，15kW，22kW，30kW，37kW，45kW，55kW，75kW，90kW，110kW，132kW…… 故選出的電機(jī)功率為：15kW。為了保障變頻器工作的安全可靠，這樣可以大大的降低故障的發(fā)生率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；，所以選擇壓力變送器的量程范圍為0~1Mp，對(duì)應(yīng)線(xiàn)性輸出4~20mA電流信號(hào)；選擇一塊帶輸出且可設(shè)定的數(shù)字顯示儀表，以便在設(shè)備上指示當(dāng)前壓力，供操作人員參考，并可以更靈活的對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行設(shè)定；根據(jù)以上分析，可得到 電機(jī)參數(shù)：Pe=15kw Ue=380v Ie= Ne=1490rpm 變頻器的選擇根據(jù)電機(jī)的選擇，這樣可以大大的降低故障的發(fā)生率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命西門(mén)子MM430是一款專(zhuān)門(mén)為風(fēng)機(jī)和水泵設(shè)計(jì)的變頻器，具有豐富的軟件設(shè)置參數(shù)，可以擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)多種功能，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜工況下的需要。通過(guò)對(duì)MM430的PID參數(shù)設(shè)定，可以在不增加任何外在設(shè)備的條件下，實(shí)現(xiàn)供水壓力的恒定，提高供水質(zhì)量，同時(shí)減少能量損耗。以往的恒壓供水設(shè)備，往往采用帶有模入/模出的可編程控制器或PID調(diào)節(jié)器，PID算法編程難度大，設(shè)備成本高，調(diào)試?yán)щy。MM430系列變頻器內(nèi)置的PID功能，可以進(jìn)行精確的PID控制，不僅節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間，還有效的降低了設(shè)備成本，是進(jìn)行此類(lèi)控制的首選本系統(tǒng)中，采用的MciorMaster430系列變頻器，型號(hào)為6SE644302AD318DA0，額定電流為38A。MicroMaster430系列變頻器是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專(zhuān)家。它按照專(zhuān)用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)(BiCo)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性，牢固的EMC(電磁兼容性)設(shè)計(jì)；控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用功能：多泵切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測(cè)、節(jié)能運(yùn)行方式等。[14]根據(jù)樓房供水設(shè)定供水壓力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，，%，將參數(shù)P2240設(shè)為68，即PID的目標(biāo)值。變頻器運(yùn)行過(guò)程中，反饋回來(lái)的信號(hào)與主設(shè)定值進(jìn)行比較，如果反饋值小于主設(shè)定值時(shí)，變頻器的頻率會(huì)自動(dòng)提升，以提高目標(biāo)壓力；如果反饋值大于主設(shè)定值時(shí)，變頻器的頻率會(huì)自動(dòng)降低，以降低目標(biāo)壓力。對(duì)于水泵系統(tǒng)，水量隨著泵的轉(zhuǎn)速變化響應(yīng)很快，沒(méi)有明顯的滯后，這時(shí)候增加微分量，過(guò)分的提前預(yù)測(cè)反而會(huì)造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定，所以選擇用PI調(diào)節(jié)。 MM430變頻器端子介紹① 。 MM430端子分布圖② 端子功能介紹 端子功能表引腳序號(hào)引腳名稱(chēng)功能引腳序號(hào)引腳名稱(chēng)功能1+10V電源電壓12AOUT1+模擬輸出12013AOUT13AIN1+模擬輸入114PTCA外接電機(jī)熱傳感器4AIN115PTCB5DINN1數(shù)字輸入116DIN5數(shù)字輸入36DINN217DIN67DINN3 數(shù)字輸入226AOUT2+模擬輸出28DINN427AOUT29+24V電源電壓28PE 接地線(xiàn)10AIN2+模擬輸入229P+RS485協(xié)議11AIN230P18RL1A輸