【正文】 根據基爾霍夫定律，定子每相所加的電源電壓應當?shù)扔谠撾妱觿莸呢撝导由隙ㄗ与娏魉a生的漏阻抗壓降，即定子的電壓方程為 ： . )( EJXRIU ??? ? （ 41） 式中， 為定子每相所加的電源電壓 ： 為氣隙主磁通在定子一相繞組中所感應的電動勢 ； 為定子相電流 ： 1R 、 ?1X 為定子每相的電阻和漏抗。變頻轉工頻能否成功，關鍵在于變頻轉工頻瞬時， 工頻電源和變頻電源是否相位一致 。若采用多臺變頻器分別對多臺水泵電機實現(xiàn)控制，雖然可以很好地解決軟起動問題，但勢必增加設備成本，從能耗的角度來看也不劃算。 34 第四章 恒壓供水變頻 — 工頻切換問題研究 變頻與工頻切換的理論分析 各站供水系統(tǒng)中 ，多采用一臺小機水泵和兩臺大機水泵供水，其中只有一臺大機用變頻器拖動實行變頻調速來調節(jié)管網中的流量以保證恒壓供水，而其它水泵機組仍采用原有的自禍降壓啟動模式實現(xiàn)恒速 泵控制。 PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、小功率水泵電機變頻 /工頻切換程序、水泵電機換機程序、閥門開啟關閉程序、模擬量 （ 壓力、頻率 ） 比較計算程序、停機程序和報警程序等構成。如此 PLC 總共有 24 個數(shù)字信號輸入， 32 個數(shù)字信號輸出，以及 4 個模擬輸入信號， 1 個模擬輸出信號。 （ 3） 控制系統(tǒng)采用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型 PLC。在控制電路的設計中，為了保護 PLC 設備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作，實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離。在硬件系統(tǒng)主電路設計中，采用一臺變頻器連接 4 臺電動機，小機具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，電機通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián) ： 大機只有變頻工作狀態(tài)，電機只通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。 PLC 上接工控計算機，壓力傳感器采樣管網壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，兩個信號反饋給 PLC 的 PID 模塊， PLC 根據這兩個信號經 PID 運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。概括如下 ： （ 1） 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)構成由可編程控制器 （ PLC） 、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及控制柜等構成。壓力傳感器采樣管網壓力信號經 PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據壓力大小調整電機轉速，改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵 33 的流量調節(jié)，保證管網壓力恒定。在程序設計中，設備的運行狀態(tài)是依據輸出繼電器 （ Q） 的狀態(tài)來確定的 ： 由于管網壓力和電機頻率接入 EM235 模塊時自動完成 A/D 轉換，因此管網壓力和電機頻率都是以數(shù)字量傳輸給自由通信口的。如用 SM30 來設置端口號，用 SM86~SM95來設置通信傳輸數(shù)據格式、傳輸信息字節(jié)長度、信號傳輸空閑時間、起止標志符等等。模擬量數(shù)據處理子程序是采集管網壓力信號和電機頻率信號，并進行平均值處理。 二、控制系統(tǒng)子程序設計 PLC 子程序設計共包括四個子程序，分別 是模擬量初始化子程序、模擬量數(shù)據處理子程序、自由通信初始化子程序、自由數(shù)據通信子程序。 （ 7） 報警程序 報警程序是依據電動機的熱繼電器動作進行設計的，當電動機過熱時，熱繼電器常開觸點閉合，作為 PLC 的輸入條件。停機程序設計時要考慮停機動作與閥門關閉之間的互鎖。在閥門開啟關閉程序設計中必須注意此原則 ： 開機時，保證先開機，再開閥 ： 停機時先 關閥，再停機。當一組中的大功率電機連續(xù)運行超過 48 小時后，必須使該機組停下來，自動啟動另一組水泵機組運行。由于電機切換涉及到不同時段管網壓力大小和電機反饋頻率大小比較計算，因此在組內切換程序設計中還應包含模擬量 （ 壓力、頻率 ） 比較計算和邏輯運算程序設計。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當管網壓力突變時，三種工作狀態(tài)之間就要發(fā)生相應轉換，因此這三種工作狀態(tài)也對應著三個切換過程。組內切換是根據不同時段管網壓力大小和電機反饋頻率大小來進行換機。若相位不一致，控制器在 3， 4 端子輸出 +5 V的電壓信號，送入 PLC 的 EM235 端口，經 PLC 比較計算，并不完成切換動作，從而保證變頻器和水泵電機的安全運行。經瞬間延時后，迅速切斷變頻接觸器和變頻器控制端子 FWDCM，在此狀態(tài)下，切斷變頻接觸器既保證了在切換時工頻電源和變頻電源相位一致，也從根本上消除了接觸器的觸頭間的電弧。水泵電機起動前先要保證變頻器三相電源輸入端得電，PLC 發(fā)出指令，使連接變頻器三相電源輸出端與電機的接觸器閉合，延時幾秒后 31 自動接通變頻器的外控端子 FWDCM 之間的常開觸點，同時要保證 BXCM 之間斷開。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調用子程序來是實現(xiàn)的。 一 、控制 系統(tǒng)主程序設計 PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、小功率水泵電機變頻 /工頻切換程序、水泵電機換機程序、閥門開啟關閉程序、模擬量 （ 壓力、頻率 ） 比較計算程序、停機程序和報警程序等構成。 PLC 控制程序由一個主程序、若干子程序構成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過 PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC。與計算機語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內部的結構原理和硬件邏輯，因此，很容易被一般的電氣工程設計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。語句表語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。 PLC 的程序設計 PLC 控制程序可采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7 MOCRO/WIN32 編程軟件進行開發(fā)。 一個 CPU266 主模塊、兩個 EM222 擴展模塊以及一個 EM23 5 模擬量擴展模塊共有 24 個數(shù)字信號輸入， 32 個數(shù)字信號輸出， 4 個模擬輸入信號以及 1 個 30 模擬輸出信號。信號接入端口能夠自動完成 A/D 轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長 （ 16bit） 的數(shù)字信號 ： 輸出信號接出端口能夠自動完成 D/A 的轉換，一個字長 （ 16bit） 的數(shù)字信號能夠轉換成標準輸出信號。 此外，為了方便地將管網壓力信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC，經比較計算后轉換為相應的控制信號，選擇了 EM235 模擬量擴展模塊。由于實際的開關量輸出只有 22點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是兩個 EM222 型模塊。 （ 4） PLC 的選型 所需端子數(shù)目除了要考慮控制系統(tǒng)實際需求外，還要留有一定 的余量，以為新設備的加入或設備調整留有余地。 此外，對于電動機熱保護繼電器的輸入，需要四個端口以顯示是哪一臺電機出現(xiàn)故障，還需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。 PLC 與所有交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)中強電和弱電之間的隔離，保護 PLC 設備，增強系統(tǒng)工作的可靠性。另外， PLC 的輸入端還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點。要控制的現(xiàn)場設備包括四臺電機接觸器的動作、四個閥門的正反轉、變頻器的控制端子、熱繼電器的輸入以及報警等。本文研究的變頻調速恒壓供水自動控制系統(tǒng)采用分 組運行的方式，把 1水泵電機和 2水泵電機分為機組 I, 3水泵電機和 4水泵電機分為機組 II。 在進行控制電路設計時，還必須考慮系統(tǒng)電機以及閥門當前工作狀態(tài)指示燈設計問題，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，可以根據與 PLC 輸出端子相聯(lián)的中間繼電器的有關常開觸點的斷開 /閉合狀態(tài)來控制相應電機和閥門的指示燈的點亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。由于當大容量電動機變頻工作的時候，小容量電動機要么是工頻運行，要么是停止工作，因此在大容量電動機變頻工作的時候，要自動切斷小容量電動機的變頻控制電路。組內互鎖是指同一組中電動機間的互鎖，組間互鎖是指不同機組之間電動機的互鎖。 28 所有控制電機和閥門接觸器的動作，都是按照 PLC 的程序邏輯來完成。為了保護 PLC設備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。 水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉，實現(xiàn)閥門的開啟和關閉。在變頻器起動、運行和停止操作中，將用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD（ REV） 來操 作，不用主電路的通斷來進行。當旋轉方向與設定不一致時，需要調換輸出端子 （ U,MW） 的任意兩相。 27 熱繼電器可以實現(xiàn) 對電動機的過載保護。 由于每臺電機的工作電流都較大，為了顯示電機當前的工作電流，在每臺電機三相輸入電源前面接入了兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個電流表連接，如圖 39 所示。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，用來實現(xiàn)電機、變頻器的過流、過熱保護。低壓電器和電氣控制柜為系統(tǒng)各種功能的實現(xiàn)提供了條件，控制柜的接地必須良好。手動啟動是系統(tǒng)不可或缺的部分，尤其是當系統(tǒng)的自動部分出現(xiàn)問 題時，為了不中斷供水，必須采用手動啟動方式。 （ 5） 、軟啟動器、自耦變壓器 當系統(tǒng)采用手動或變頻固定方式運行時，如果電機的功率較大，將不允許直接啟動，而需要采用軟啟動器或自耦變壓器進行降壓啟動。在運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵， 如果此時的用水量不多，就會使水管中的水壓上升。 （ 4） 、壓力傳感器、壓力變送器以及電極點壓力表 壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的壓力信號變成 1 ~5V或 4~20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊 (A/D 模塊 )輸入到 PLC 中。若 PLC 為三菱 FX1N，觸摸屏可以選三菱 F900 系列；若 PLC 為富士 5000G11 或 VP 系列，觸摸屏可以選富士 UG30 系列。觸摸屏可以對系統(tǒng)的運行流程、水泵運行電流、變頻器的輸出頻率、輸出電壓以及系統(tǒng)報警情況進行顯示；通過觸摸屏還可以進行壓力設定、選擇系統(tǒng)的運行方式 (自動 /手動 )、泵的運行方式 (正常運行 /檢修 )等等?，F(xiàn)在的變頻器一般都具有通訊功能，常見的如三菱 FR 系列變頻器、西門子變頻器、 ABB 變頻器、富士變頻器等。需要計算出水泵電機的功率、額定電流及轉速。用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護?？梢陨辖庸た赜嬎銠C，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。 S7200 型 PLC 的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性能 /價格比，廣泛適用于一些中 /小型控制系統(tǒng)。 （ 1） 、 PLC 及其擴展模塊分析選擇 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據交換等。在上位機中裝有監(jiān)控軟件，可以對恒壓供水系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。通過壓力 傳感器采樣管網壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給 PLC 的 PID 模塊， PLC 根據這兩個信號經 PID 運算，發(fā)出控制信號，控制水泵電機進行切換。 系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動 4 臺電動機起動、運行與調速，其中兩臺大功率電機（簡稱大機）和兩臺小功率電機（簡稱小機）分別采用循環(huán)使用方式運行，即將 1水泵電機 (小機 )和 2水泵電機 (大機 )分為一組， 3水泵電機 (小機 )和 4水泵電機 (大機 )分為一組。 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成分析 根據 中變頻恒壓供水系統(tǒng)組成原理框圖，我們得到該系統(tǒng)的電氣控制框圖如圖 37。 （ 6） 報警裝置 作為一個控 制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示，顯示報警信息等。 （ 4） 人機界面 人機界面是人與機器進行信息交流的場所。 22 圖 35 變頻器驅動電機固定方式 變頻器驅動電機固定方式的動作流程圖如圖 36 。由變頻器固定拖動的水泵可以在系統(tǒng)運行前提前選擇出。 圖 33 變頻器驅動電機循環(huán)方式 變頻器驅動電機循環(huán)方式的動作流程圖如圖 34 。根據水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式 ： 20 （ Ⅰ ） 變頻循環(huán)式 ： 變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵 ： 如果當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍然不能達到用水要求，供水控制系統(tǒng)就先將變頻器從該水泵電機中脫出，并將其切換為工頻，然后去變頻拖動另一臺水泵電機。 （ b） 變頻器 ： 它是對水泵進行轉速控制的單元。 （ a） 供水控制器 ： 它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。該信號為開關量信號。此信號來自安裝于水源處的液位傳感器。 （ b） 液位信號 ： 它反映水泵的進水水源是否充足。另外為了加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測。 （ 2） 信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號 ： （ a） 水壓信號 ： 它反映的是用戶管網的水壓值，是恒壓供水控制的主要反饋信號。 （ Ⅳ ） 附屬小泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時 （ 如夜間 ） 可以停止所有的主泵，用小泵進行補水，降低系統(tǒng)的運行噪音。 （ Ⅱ ） 供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可。 （ c） 附屬小泵 ： 只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，