【導(dǎo)讀】由于傳統(tǒng)供水方式的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一套PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。恒壓供水是指在供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時(shí)，出口壓力保持不變的供水方式。統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、遠(yuǎn)傳壓力表等構(gòu)成。共三臺(tái)電機(jī)，其中由一。臺(tái)變頻器拖動(dòng)2臺(tái)大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，1臺(tái)小容量電機(jī)備用。式；同時(shí)利用其中的數(shù)字PID控制器，由SFB41將壓力給定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

　　

【正文】 的編程 [6]。 變頻器的介紹 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器就是能夠分別連續(xù)改變頻率和電壓的電源設(shè)備。變頻器按變換環(huán)節(jié)分為交 —交變頻器和交 —直 —交變頻器。交 —交 變頻器是把頻率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，故變頻效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的 1/2 以下。交 —直 —交變頻器是先把頻率固定的交流電整流成內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因此，在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善頻率后電動(dòng)機(jī)的特性等方面，都有明顯的優(yōu)勢(shì)。交 —直 —交變頻器的基本構(gòu)成為主電路 (包括整流電路，中間直流環(huán)節(jié)，制動(dòng)電路、逆變電路 )和控制電路。其基本結(jié)構(gòu)如圖 所示 [7]。 (1)整流 電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對(duì)工頻的外部交流電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流器有兩種基本類型，即可控的和不可控的。 圖 變頻器結(jié)構(gòu)示意圖 (2)逆變電路： 逆變電路主要作用是通過逆變器中主開關(guān)器件的有規(guī)律地通與斷，從而得到可變頻率的交流電輸出。 常用的開關(guān)器件有絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、電力體管 (GTR)、門極關(guān)斷 (GTO)晶閘管以及等。幾種開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)如圖 所示。在以 前逆變器中，所采用的電力電子器件主要是晶閘管，其開關(guān)頻率較低，調(diào)速系統(tǒng)控制方式在當(dāng)時(shí)主要是調(diào)壓與調(diào)頻分別控制，即相控整流器控制輸出電壓的幅值，逆變開關(guān)頻率控制決定輸出電壓的頻率，這種調(diào)壓、調(diào)頻分別控制方式量簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，有許多缺點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)差，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 圖 幾種電力半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，具有自 動(dòng) 關(guān)斷能力的元件如大功率晶體管 GTR和門極可關(guān)斷晶間管 GTO 開始得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了一種新型的調(diào)壓 —調(diào)頻綜合控制技術(shù) —脈寬調(diào)制技術(shù)及相應(yīng)的 PWM 逆變器 。現(xiàn)在的 SPW 逆變器，均是以 IGBT 為開關(guān)器件。 IGBT 融合了 GTR 與 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，具有容量大開關(guān)頻率高等特點(diǎn)， IGBT 的平均開關(guān)頻率能夠達(dá)到 20kHz 左右。 SPWM 逆變器，能夠同時(shí)完成調(diào)壓和調(diào)頻的任務(wù)。SPWM 逆變器所采用的 SPWM(Sinusoidal Pulse width Modulation)方式，其原理如圖 所示。采用參考正弦電壓波與載頻三角波互相比較，決定主開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。脈寬調(diào)制型變頻器不僅可以把調(diào)壓和調(diào)頻的功能集于一身， 而且還因采用不可控整流，簡(jiǎn)化了整流裝置，降低了整流器的造價(jià)，同時(shí)還改善了系統(tǒng)的功率 因數(shù)，特別是通過采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法可以使變頻器輸出電壓中諧波分量，尤其是低次諧波顯著減少，從而使異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)得到了很大地改善。 UD CUD AUD B門極驅(qū)動(dòng)電路三 相 正 弦波 信 號(hào)\\\三 角 波 信 號(hào)UR AUR CUR B 圖 SPWM 調(diào)制方式 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 (3)中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載，無論電動(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)與電動(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。如果中間儲(chǔ)能元件，采用大容量的電容并聯(lián)在直流環(huán)節(jié)上，由于電容兩端的電壓不能突變，因此，直流環(huán)節(jié)的電壓比較穩(wěn)定，相當(dāng)于恒壓源。如果中間儲(chǔ)能元件改為一個(gè)大的串聯(lián)電感，那么直流部分就相當(dāng)于一個(gè)恒流源。中間電路有三種類型，即將整流電壓變換成直流電流 。將脈動(dòng)的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑 。將整流后固定的直流電壓變換成為可變的直流電壓。根據(jù)中間電路儲(chǔ)能元件的不同，分為電壓源型變頻器和電流源型 變頻器 。 一般的電壓源型交 —直 —交變頻器為不可逆變頻器，即變頻器正常運(yùn)行為兩象限運(yùn) 轉(zhuǎn)，電源只向異步電動(dòng)機(jī)輸出功率。對(duì)于減速時(shí)需要制動(dòng)力的負(fù)載，功率會(huì)從異步電動(dòng)機(jī)向逆變器回流，此時(shí)變頻器需附加一套制動(dòng)電路，以實(shí)現(xiàn)電機(jī) Ⅱ ， Ⅳ 象限制動(dòng)，制動(dòng)電路采用制動(dòng)電阻的形式，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)時(shí) (轉(zhuǎn)差率為負(fù) )，將產(chǎn)生再生能量，再生能量存與變頻器平滑回路電容器中，使平滑回路中直流電壓升高，當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，控制電路使制動(dòng)部分的晶體管導(dǎo)通，再生能源流入電阻器被消耗掉。再生能量較大時(shí)，控制單元和電阻單元將分別設(shè)置。對(duì)于需要急加減速度，并且加減速度頻繁的場(chǎng)合，或?qū)τ谥苿?dòng)為主要目的場(chǎng)合，需采用可逆變 頻器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行，即雙向電動(dòng)和能量回饋制動(dòng)運(yùn)行，這種逆變器可以將電機(jī)的再生能源反饋回電網(wǎng)。實(shí)際上由于變頻器的整流為高頻非線性，因此會(huì)產(chǎn)生高次諧波，使電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，對(duì)電網(wǎng)造成污染，因此需要一些附件來處理。 [8] (4)控制電路 控制電路常由運(yùn)算電路，檢測(cè)電路，控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。其主要任務(wù)是接受各種信號(hào)，進(jìn)行基本運(yùn)算，輸出計(jì)算結(jié)果，完成對(duì)逆變電路的開關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制 (可控型 )以及完成各種保護(hù)功能等。控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制，采用盡可 能簡(jiǎn)單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。 變頻器的工作原理 1964 年，德國(guó)的 等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于交流變頻器，它仍是交直交變壓變頻裝置，只是整流是不可控的，它的輸出電壓經(jīng)電容濾波 (可附加小電感限流 )后形成恒定幅值的直流電壓，加在內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 逆變器上，逆變器的功率開關(guān)器件采用全控式器件，按一定規(guī)律控制其導(dǎo)通或斷開，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。通過改變脈沖的不同寬度 (即占空比 )可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出功率，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。 SPWM 變壓變頻器的主要特點(diǎn)為 :主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu) 。采用了不可控整流，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于 1，且與輸出電壓大小無關(guān) 。逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻與調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響 ?？色@得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，大大擴(kuò)展了傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)的性能。變頻器具體的工作原理如下 :采用對(duì)單相負(fù)載供電的交一直一交變頻器來說明。 2413ZC逆 變整 流交 流電 源 圖 變頻器原理圖 1 、 4 通2 、 3 通U0t 圖 變頻裝置輸出 圖 、 ，整流裝置采用的是不可控方式，即全波整流，將輸入流電整流成直流。開關(guān)元件 1， 4 和 2， 3 交替導(dǎo)通對(duì)負(fù)載電阻供電，那么在負(fù)載上得到交流輸出電壓，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 其幅值為恒定。其頻率和寬度由開關(guān)元件切頻率和開通時(shí)間來確定而不受電源頻率的限制。若要三相交流輸出，則只增加兩對(duì)開關(guān)元件即可 [9]。 選擇變頻器規(guī)格 變頻器產(chǎn)品說明書都提供了標(biāo)稱功率數(shù)據(jù) ，但實(shí)際上限制變頻器使用功率的是定子電流參數(shù)，因此，直接按照變頻器標(biāo)稱功率進(jìn)行選擇，在實(shí)踐中可能會(huì)行不通。根據(jù)具體工程情況，可以有幾種不同的變頻器規(guī)格選擇方式。 一般而言，按照標(biāo)稱功率選擇只適合作為初步投資估算依據(jù)，在不清楚電動(dòng)機(jī)額定電流時(shí)使用，比如電動(dòng)機(jī)型號(hào)還沒有最后確定的情況。作為估算依據(jù)，在一般恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用時(shí)可以放大一級(jí)估算，例如， 90KW 電動(dòng)機(jī)可以選擇 110KW 變頻器。在需要按照過載能力選擇是，可以放大一倍來估算，例如， 90KW 電動(dòng)機(jī)可以選擇 185KW 變頻器。 額定電流選擇 對(duì)于多數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載新設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以按照這個(gè)方式選擇變頻器規(guī)格： Ievf≥K1Ied (31) 式中， Ievf 是變頻器額定電流； Ied 是電動(dòng)機(jī)額定電流； K1是電流裕量系數(shù)，根據(jù)應(yīng)用情況一般可取為 ～ ，一般情況可取小值，在電動(dòng)機(jī)持續(xù)負(fù)載率超過 80%時(shí)，則應(yīng)該取大值，因?yàn)槎鄶?shù)變頻器的額定電流都是以持續(xù)負(fù)載率不超過 80%來確定的。另外，啟動(dòng)停止頻繁的時(shí)候也應(yīng)該考慮取大值，這是因?yàn)閱?動(dòng)過程以及有制動(dòng)電路的停止過程電流會(huì)短時(shí)超過額定電流，頻繁啟動(dòng)停止則相當(dāng)于增加了負(fù)載率。 這個(gè)方式用于改造工程，對(duì)于原來電動(dòng)機(jī)已經(jīng)處于大馬拉小車的情況，可以選擇功率比較合適的變頻器以節(jié)省投資： Ievf≥K2Id (32) 式中， K2是電流裕量系數(shù)，考慮到測(cè)量誤差，可取 K2=～ ，在頻繁啟動(dòng)停止時(shí)應(yīng)該取大值； Id 是電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)運(yùn)行電流，指的是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流， 不包括啟動(dòng)、停止和負(fù)載突變的動(dòng)態(tài)電流，實(shí)測(cè)時(shí)應(yīng)該針對(duì)不同工況作多次測(cè)量，取其中最大值。 變頻器的電流過載能力通常比電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過載能力低，因此，按照常規(guī)配備變頻器時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩過載能力不能充分發(fā)揮作用。由于變頻器能夠控制在穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩下持續(xù)加內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 速直到全速運(yùn)行，因此，平均加速度并不低于直接啟動(dòng)的情況，一般應(yīng)用中沒有什么問題。 通過上述論述和系統(tǒng)要求，決定選用富士公司的 P11S 系列變頻器。 P11S 系列是風(fēng)機(jī)泵用標(biāo)準(zhǔn)系列， 采用 高性能和多功能的理想結(jié)合 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制 ， 能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn) 對(duì)電動(dòng)機(jī)的最佳控制。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制是一種先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) [10]。 變頻器與 PLC 的連接 由于 PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算和操作的電子控制裝置，可以通過軟件來改變控制過程，且具有體積小、組裝靈活、編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于惡劣工作環(huán)境下運(yùn)行，所以常用 PLC 來控制變頻器，可以由 PLC 來提供控制信號(hào) (如速度信號(hào) )和指令通斷信號(hào) (啟動(dòng)、停止、反向等 ) [11]。 開關(guān)指令信號(hào)的輸入 變頻器的輸入信號(hào)中包括對(duì)運(yùn)行、停止，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、微動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行操作的開關(guān)型指令信號(hào) (數(shù)字輸入信號(hào) )。變頻器通 常利用繼電器接點(diǎn)或具有繼電器接點(diǎn)開關(guān)特性的元器件 (如晶體管 )與 PLC 連接，獲取運(yùn)行狀態(tài)指令。使用繼電器接點(diǎn)時(shí)，常因接觸不良而帶來誤動(dòng)作 。使用晶體管進(jìn)行連接時(shí)，則需要考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。在考慮變頻器的輸入信號(hào)電路時(shí)還應(yīng)該注意到，當(dāng)輸入信號(hào)電路連接不當(dāng)時(shí)有時(shí)會(huì)造成變頻器的誤動(dòng)作。如當(dāng)輸入信號(hào)電路采用繼電器等感性負(fù)載，繼電器開閉時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流帶來的噪聲有可能引起變頻器的誤動(dòng)作，應(yīng)該盡量避免，這時(shí)可以考慮采用阻容振蕩吸收，光電隔離的方式。 數(shù)字信號(hào)的輸入 變頻器中也存在一些數(shù)值 型指令信號(hào)的輸入 (如頻率、電壓等 )，一般可以分為數(shù)字輸入和模擬輸入兩種。數(shù)字輸入和模擬輸入兩種，數(shù)字輸入多采用變頻器面板上的鍵盤操作和串行接口來設(shè)定。模擬輸入則通過接線端子由外部給定，通常是通過 0～ 10V/5V的電壓信號(hào)或 0/4～ 20mA 的電流信號(hào)輸入。接口電路因輸入信號(hào)而異，須根據(jù)變頻器的輸入阻抗選擇 PLC 的輸出模塊。當(dāng)變頻器和 PLC 的電壓范圍不同時(shí)，如變頻器的輸入信號(hào)范圍為 0～ 10V，而 PLC 的輸出信號(hào)電壓范圍為 0～ 5V 時(shí) 或 PLC 一側(cè)的輸出信號(hào)電壓范圍為 0～ 10V，而變頻器的輸入信 號(hào)電壓范圍為 0～ 5V， 由 于變頻器和晶體管的容許電壓、電流等因素的限制，則需要以 串 聯(lián)的方式接入限流電阻。此外，在連線時(shí)還應(yīng)該注意將控制電路和主電路布線分開，保證主電路一側(cè)的噪聲不傳至控制電路。 通常變頻器也通過接線端子向外部輸出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)，電信號(hào)的范圍通常為內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 0～ 5/10V 電壓信號(hào)及 0/4～ 20mA 電流信號(hào)。無論是哪種電信號(hào)，都必須注意 PLC 一側(cè)的輸入阻抗的大小，保證電路中的電壓和電流不超過電路的允許值，以保證系統(tǒng)的可靠性和減小誤差。 由于變頻器在運(yùn)行過程中會(huì)帶來較強(qiáng)的電磁干擾，為了保證 PLC 不因變頻器主電路斷路器及開關(guān)器件 等產(chǎn)生的噪聲而出現(xiàn)故障，在將變頻器和 PLC 相配合使用時(shí)必須注意 : (1)對(duì) PLC 本體按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和接地條件進(jìn)行接地。此時(shí)，應(yīng)該避免和變頻器使用共同的接地線，并在接地時(shí)盡可能使二者分開。 (2)當(dāng)電源條件不太好時(shí)，應(yīng)在 PLC 的電源模塊以及輸入 /輸出模塊的電源線上接入噪聲濾波器和降低噪聲用的電抗器等。此外，如有必要在變頻器一側(cè)也采用相應(yīng)措施，如采用屏蔽接地的方式。 (3)當(dāng)把變頻器和 PLC 安裝在同一個(gè)操作柜中時(shí)，應(yīng)盡可能使與變頻器有關(guān)的電線和與 PLC 有關(guān)的電線分開。 (4)通過使用屏蔽線和雙絞線達(dá)到提高抗噪聲 水平的目的。 傳感器