【正文】 差 )。 出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高 的要求，加之采用變頻調(diào)速器易操作、免維修、控制精度高，并且可以實(shí)現(xiàn)高功能優(yōu)化等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案逐步取代風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)的控制方案。考慮到這一點(diǎn)，可用 下式來(lái)計(jì)算 U2C RBO = (TB )n1 UC—直流回路電壓（ V） TB—制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 (N?m) TM—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 N1—開(kāi)始減速時(shí)的速度 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁(yè) 如果系統(tǒng)所需制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TB TM,時(shí)，系統(tǒng)就有需要另外的制動(dòng)電阻，僅電 動(dòng)機(jī)內(nèi)部的有功損耗的作用，就可使中間直流回路電壓限制在過(guò)壓保護(hù)的動(dòng) 作水平以下 （ 3）制動(dòng)時(shí)平均消耗功率的計(jì)算 如前所述，制動(dòng)中電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗的功率相當(dāng)于 20%額定值的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此制動(dòng)電阻器上消耗的平均功率 Pro（ KW）可以求出： N1+n2 Pro=() X 103 (KW) 2 變頻器硬件設(shè)計(jì) 變頻器選用日本安川變頻器 CIMRP5A 45P5產(chǎn)品 , 適配電機(jī) 5. 5 kW , 該變頻器基本配置中帶有 P ID 功能 . 通過(guò)變頻器面板設(shè)定一個(gè)給定頻率作為壓力給 定 值 , 壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號(hào) (0～ 10 V ) 接至變頻器的輔助輸入端 FI、 FC, 作為壓力反饋 , 變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測(cè)壓力 , 調(diào)節(jié)輸出頻率 , 改變水泵轉(zhuǎn)速 , 控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上 [ 1 ]. 如圖 3所示 . M M2為變頻器的極限輸出頻率的檢測(cè)輸出信號(hào)端 , 該信號(hào)進(jìn) PLC, 作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一 , 變頻器的極限輸出頻率通過(guò)面板可以設(shè)定 .MA、 MC 為變頻器發(fā)生故障的輸出信號(hào) , 該兩端連接信號(hào)燈 , 以顯示變頻器故障 , 變頻器面板上有故障復(fù)位按鍵 , 輕故障用復(fù)位按鍵復(fù)位 , 可重新啟動(dòng)變頻器 . S1和 S3短接 , 并與 Sc 連接到 PLC 的輸出點(diǎn)上 , 由 PLC 控制變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷 。 制動(dòng)電阻的選擇，可按如下步驟進(jìn)行： （ 1）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TB 可由下式算出： (GD2M+GD2L)(n1― n2) TB= TL (N?m) 375ts 式中 GD2M— 電動(dòng)機(jī)的 GD2(N?m178。如果回饋能量較 大，則有可能使變頻器的過(guò)壓保護(hù)功能動(dòng)作。 制動(dòng)電阻的計(jì)算 在異步電動(dòng)機(jī)因設(shè)定頻率下降而減速時(shí)，如果軸轉(zhuǎn)速高于由頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速， 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁(yè) 則異步電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。一旦出現(xiàn)變頻器輸出端誤接到工頻電網(wǎng)的情況，將損壞變頻器。 （ 7）電磁接觸器 2KM 和 3KM 用于變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換運(yùn)行?？梢钥s 短大慣量負(fù)載的自由停車(chē)時(shí)間。 2ACL 用于改善變頻器輸出電流的波 形，減低電動(dòng)機(jī)的噪聲。 （ 5）交流電抗器 1ACL 和 2ACL 1ACL 用于抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電 流，改善功率因數(shù)。對(duì)于電網(wǎng)停電后的復(fù)電，可以防止自 動(dòng)再投入以保護(hù) 設(shè)備的安全及人身安全。使用變頻器無(wú)例外地都應(yīng)采用 QF。 （ 2）電源側(cè)斷路器 QF 用于電源回路的開(kāi)閉，并且在出現(xiàn)過(guò)流或短路 事故時(shí)自動(dòng)切斷電源，以防事故擴(kuò)大。變頻器效率可取 ，變頻器輸出功率應(yīng) 為所接電動(dòng)機(jī)的總功率。 。其主要 組成部分是：輸出驅(qū)動(dòng)電路、操作控制電路。 ，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。 。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的 CPU 以及一些相應(yīng)的電路 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁(yè) 主要結(jié)構(gòu) ，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓。 定義 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。 4)通過(guò)計(jì)算機(jī)和 PLC的通信，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn) 程監(jiān)控是本論文的一個(gè)特色之處。 3)論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本文主要通過(guò)對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶(hù)對(duì)供水系統(tǒng)的要求，確定以 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和 PLC作為主要控制設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。 3)變頻調(diào)速的軟啟動(dòng)器避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命。采用變頻調(diào)速，通過(guò)減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)消除水錘效應(yīng)，減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命。此 外，水錘效應(yīng)還可 能損壞閥門(mén)和固定件。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。 7)節(jié)能性： 系統(tǒng)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(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從 0到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊的同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。 4)時(shí)變性：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 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁(yè) 括定量泵的停止和運(yùn)行 )是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)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(duì)象是時(shí)變的。 2)非線(xiàn)形：用戶(hù)管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)。 (4)變頻調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的頻繁起動(dòng)及軟啟動(dòng)，對(duì)電機(jī)沖擊小，不需電機(jī)降額使用，延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)部件的壽命 。變頻調(diào)速技術(shù)用于泵和風(fēng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，節(jié)能效果顯著，可以達(dá) 到 20060％，并且輸出諧波小，對(duì)電網(wǎng)污染小，容易滿(mǎn)足國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 (2)節(jié)能和環(huán)保意義。當(dāng)今微電子技術(shù)迅速發(fā)展，器件質(zhì)量好，也為能供應(yīng)高性能，高可靠性，高控制精度的變頻器創(chuàng)造了條件。 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是可以做到無(wú)級(jí)并精確調(diào)速，調(diào)速范圍大，變頻調(diào)速系統(tǒng)可同時(shí)滿(mǎn)足調(diào)速精度和節(jié)能兩個(gè)要求，達(dá)到高性能、高動(dòng)態(tài)、高品質(zhì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 其中鼠籠型電動(dòng)機(jī)又占交流電機(jī)的 90％以上。后者如風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)電機(jī)，應(yīng)用量很大，節(jié)電效果很可觀(guān)，可達(dá) 30％ 40％。這類(lèi)生產(chǎn)工藝要求的調(diào)速，調(diào)速的指標(biāo)較高，即要求有寬的調(diào)速范圍，小的靜差率，快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)?，F(xiàn)在，變頻調(diào)速技術(shù) 已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為交流調(diào) 速領(lǐng)域里最理想調(diào)速方式，特別是高壓大功率的變頻調(diào)速器的研制，具有廣闊的市場(chǎng)前景和重要的理論研究?jī)r(jià)值，在工業(yè)應(yīng)用各相關(guān)領(lǐng)域，對(duì)原有傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造也是勢(shì)在必行，無(wú)疑會(huì)優(yōu)化資源配置，改善原有系統(tǒng)的運(yùn)行并產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 1，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。為此，矩陣式交一交變頻應(yīng)運(yùn)面生。 Ir、 F變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交一直一交變頻中的 一種。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(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。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀(guān)測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大， 且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁(yè) 流電流 Im Itl(Iml相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流， nl相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 )，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。 20世紀(jì) 70年代開(kāi)始，脈寬調(diào)制變壓變頻 (PVMVVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波 PWM模式效果最佳。 變頻調(diào)速 的發(fā)展概況 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的?？梢钥闯?，目前在國(guó)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(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)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)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。原深圳華為 (現(xiàn)己更名為艾默生 )電氣公司和成都希望集團(tuán) (森蘭變頻器 )也推出了廈壓供水專(zhuān)用變頻器 (． 22kw)，無(wú)需外接 PLC和 PID調(diào)節(jié)器，可完成最多 4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)：有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻 恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠(chǎng)家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式 、“變頻泵循環(huán)方式一兩種模式，它將 PID調(diào)節(jié)器和 PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC和 PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多 7臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿(mǎn)足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒 壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，維修方便。 水塔高位水箱供水具有控制方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動(dòng) ，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶(hù)的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)和 PLC 之間通信協(xié)議的研究，完成了上、下位機(jī)的通信設(shè)置，給出了計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序編寫(xiě)方法，通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報(bào)警。 論文論述了采用多泵并聯(lián)供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過(guò)程及存在的問(wèn)題。設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)每天 24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠(chǎng)的不間斷生產(chǎn)。 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 I 頁(yè) 基于 PLC 變頻器恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設(shè)費(fèi)用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、供水質(zhì)量低下等缺點(diǎn)和不足。為了解決這些問(wèn)題，本文采用控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)研究恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。通過(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠(chǎng)的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減 輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。給出了實(shí)